• 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 Δ𝛼 = 𝛼0+ Δ𝛼0 = 1,1 + 0,05 = 1,15
• 𝐼kkl : Entanpi của không khí lạnh • 𝜃kkl = 30∘C ⇒ 𝐼kkl = 98,88kcal kg = 413,71 kJ kg Qcb2 = 𝜑. (I2v − I2r + Δ𝛼 ⋅ Ikkl) = 0,98. (4732,89 − 2956,95 + 1,15.98,88) = 1851,85kcal kg = 7753,33kJ kg 3.4.2. Hệ số truyền nhiệt 𝑘 k = 1 1 𝛼1+ 𝛿b 𝜆b + 𝛿v 𝜆v+ 𝛿c 𝜆c+ 1 𝛼2kcal/m2 h∘C
• 𝛼1, 𝛼2 : Hệ số toả nhiệt từ khói cho vách ống và từ vách ống cho nước Do 𝛼1≫ 𝛼2 :Cho nên nhiệt trở mặt trong ống có thể bỏ qua
• 𝛿b, 𝜆b :Bề dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp tro xỉ và muội trên bề mặt ống 𝛿b
𝜆b = 𝜀 = 0,015 • 𝛿𝑣, 𝜆𝑣 : 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
𝛿v 𝜆v = 0
• 𝛿𝑐, 𝜆𝑐 : 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.
𝛿𝑐 𝜆𝑐 = 0 Vậy có thể tính hệ số truyền nhiệt theo công thức:
k = 11 𝛼1+ 𝜀
W/m2 ⋅ K
Xác định hệ số toả nhiệt tù môi chát nóng cho vách 𝛼1 𝛼1= 𝜔 ⋅ 𝛼k+ 𝛼b
• 𝜔: 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]
• 𝛼k : Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu (kJ/m2 h∘C) • 𝛼b : Hệ số toản nhiệt bằng bức xạ (kJ/m2 h∘C) Hệ số toả nhiệt đối lưu pass 2 𝛼𝑘
𝛼𝑘 = 𝛼ℎ ⋅ 𝐶1⋅ 𝐶𝑣𝑙 • Xác định 𝛼ℎ
Chọn tốc độ khói trong pass 2: w = 8 m/s Đường kính trong của ống lửa: 𝑑tr = 0,046 m
Tra đồ thị 6.7 ta có 𝛼h = 23kcal/m2 h∘C = 96,23 kJ/m2 h∘C • Xác định 𝐶𝑣𝑙
Nhiệt độ trung bình của khói ở pass 2 𝜃tb2 = 𝜃v2+ 𝜃r2
2 =
1058 + 690
2 = 874
∘C Ty lệ hơi nước với khói thải rH
Tra đồ thị 6.7 ta có 𝐶𝑣𝑙 = 0,7 • Xác định 𝐶1
Tỷ số chiều dài và đường kính ống lửa ở pass 2 là l
dtr = 2,5
0,046= 54,35 Tra đồ thị 6.7 ta có 𝐶1 = 1
Hệ số toả nhiệt đối lưu pass 2
𝛼k = 𝛼h ⋅ C1⋅ Cvl = 95,23 ⋅ 0,7 ⋅ 1 = 67,36 kJ/m2 h∘C Hệ số toả nhiệt bức xạ pass 2𝛼𝑏
𝛼𝑏 = 𝛼ℎ⋅ 𝐶𝑘⋅ 𝑎 𝑘𝐽/𝑚2ℎ∘𝐶 • Xác định 𝛼ℎ
Nhiệt độ vách 𝜃𝑣 = 𝜃𝑏ℎ + 4. 𝑆 + 60 = 170 + 4.2,5 + 60 = 240∘C Chọn nhiệt độ vách thấp nhất là 𝜃𝑣 = 250∘C
Nhiệt độ trung bình của khói ở pass 2: 𝜃tb2 = 874∘C
Tra đồ thị 6.12 ta có 𝛼h = 118kcal/m2 h∘C = 413,71 kJ/m2 h∘C và Ck = 0,98 [TL1-T86]
Xác định a
a = 1 − 𝑒−𝑘𝑝.𝑠
p: Áp suất trong buồng lửa. Lò hơi dòng khí tự nhiên 𝑝 = 𝑝𝑎 = 1 at s: Bề dày hữu dụng của lớp bức xạ s = 3,6 ⋅ V2 Fv2 Thể tích lớp bức xạ V2 V2= 𝜋 ⋅dtr 2 4 ⋅ 1 ⋅ n2 = 𝜋 ⋅ 0, 0462 4 ⋅ 2,5 ⋅ 22 = 0,1 m 3 Diện tích các bề mặt bao bọc Fv2
Fv2 = 𝜋 ⋅ dtr ⋅ 1 ⋅ n2 = 𝜋 ⋅ 0,046 ⋅ 2,5 ⋅ 22 = 7,95 m2 s = 3,6 ⋅ V2 Fv2 = 3,6 ⋅ 0,1 7,95= 0,045 m k: Hệ số làm yếu tia bức xạ k = (0,78 + 1,6 ⋅ rH2O √pn⋅ s − 0,1) ⋅ (1 − 0,37 ⋅ 𝜃tb2 1000) Với pn = p ⋅ rn = rH 2O+ rRO 2 = 0,111 + 0,131 = 0,242 𝑘 = (0,78 + 1,6.0,111 √0,242.0,045 − 0,1) ⋅ (1 − 0,37 ⋅ 874 + 273 1000 ) = 5,22 Vậy: 𝑎 = 1 − 𝑒−5,22⋅1⋅0,045 = 0,21 Hệ số toả nhiệt bức xạ pass 2𝛼𝑏
𝛼𝑏 = 𝛼ℎ ⋅ 𝐶𝑘⋅ 𝑎 = 118.0,21.0,98 = 24,28kcal/m2 h∘C = 101,61 kJ/m2 h∘C Hệ số toả nhiệt từ môi chất nóng cho vách 𝛼1
𝛼1= 67,36 + 101,61 = 168,97 kJ/m2 h∘C = 40,38kcal/m2 h∘C Vậy: Hệ số truyền nhiệt
k = 11 𝛼1+ 𝜀
= 1 1
40,38+ 0,015
= 25,15kcal/m2 h∘C
3.4.3. Phương trình truyền nhiệt
Nhiệt lương do bề bặt đốt hấp thụ bằng đối lưu và bức đối với 1 kg nhiên liệu. Qt2 = k ⋅ Fv2⋅ Δ𝜃
Bt
• Fv2 : Diện tích bề mặt bao bọc của pass 2 Fv2= 7,95 m2 • 𝐵𝑡 : Tiêu hao nhiên liệu tính toán kg/h
• Δ𝜃 : Độ chênh lệnh nhiệt độ ∘C Δ𝜃max = 𝜃2v + 𝜃bh = 1058 − 170 = 888∘C Δ𝜃min = 𝜃2r + 𝜃bh = 690 − 170 = 520∘C Δ𝜃 = Δ𝜃max − Δ𝜃min ln (Δ𝜃max Δ𝜃min) = 888 − 520 ln (888520) = 687,67∘C 𝑄tr2 = k ⋅ Fv2⋅ Δ𝜃 Bt = 25,14.7,95.687,67 75,26 = 1826,2kcal/kg = 7645,93 kJ/kg Xác định ΔQ% giữa Qtr2 và Qcb2 ΔQ = Qcb2− Qtr2 (Qcb2+ Qtr2) ⋅ 0,5⋅ 100 = 7753,33 − 7645,93 (7753,33 + 7645,93) ⋅ 0,5⋅ 100 = 1,39% ΔQ < 2% : Nhiệt độ khói ra tại pass 2 là 𝜃2r = 690∘C
3.5. Tính toán nhiệt pass 3
Các kính thước sơ bộ
• Số ống pass 3: 𝑛3 = 30 ống
• Nhiệt độ khói vào pass 3: 𝜃3r = 690∘C • Chọn nhiệt độ khói ra pass 3: 𝜃3r = 410∘C • Chiều dài ống lửa ở pass 3: 2,8 m
• Đường kính trong của ống lửa: dtr = 0,046 m • Đường kính ngoài của ống lửa: dng = 0,051 m
3.5.1. 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
Qcb3 = 𝜑 ⋅ (I3v− I3r + Δ𝛼 ⋅ Ikkl) Trong đó:
• 𝐼3𝑣 : Entanpi khói vào bề mặt đốt Ta có: 𝜃3𝑣 = 690∘C ⇒ I3𝑣 = 2956,95kcal/kg
• 𝐼3𝑟 : Entanpi của khói ra khỏi bề mặt đốt Tacó 𝜃3r = 410∘C ⇒ I3r = 1693kcal/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
Δ𝛼 = 𝛼0 + Δ𝛼0= 1,1 + 0,05 = 1,15 • 𝐼kkl : Entanpi của không khí lạnh
𝜃kkl = 30∘C ⇒ Ikkl = 98,88kcal/kg = 413,71 kJ/kg Qcb3 = 𝜑 ⋅ (I3v − I3r + Δ𝛼. Ikkl) = 0,98. (2956,95 − 1693 + 1,15.98,88) = 1350,12kcal/kg = 5648,86 kJ/kg 3.5.2. Hệ số truyền nhiệtk k = 1 1 𝛼1+ 𝛿b 𝜆b + 𝛿v 𝜆v+ 𝛿c 𝜆c+ 1 𝛼2kcal/m2 h∘C
• 𝛼1, 𝛼2 : Hệ số toả nhiệt từ khói cho vách ống và từ vách ống cho nước Do 𝛼1≫ 𝛼2 :Cho nên nhiệt trở mặt trong ống có thể bỏ qua
• 𝛿b, 𝜆b :Bề dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp tro xỉ và muội trên bề mặt ống 𝛿b
𝜆b = 𝜀 = 0,015 • 𝛿𝑣, 𝜆𝑣 : 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
𝛿𝑣 𝜆𝑣 = 0
• 𝛿𝑐, 𝜆𝑐 : 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.
𝛿𝑐 𝜆𝑐 = 0 Vậy có thể tính hệ số truyền nhiệt theo công thức:
k = 11 𝛼1+ 𝜀
W/m2 ⋅ K
Xác định hệ số toả nhiệt tù môi chất nóng cho vách 𝛼1 𝛼1= 𝜔 ⋅ 𝛼k+ 𝛼b
• W : 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 • 𝛼k : Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu (kJ/m2 h∘C)