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) • 𝛼b : Hệ số toản nhiệt bằng bức xạ (kJ/m2 h∘C) Hệ số toả nhiệt đối lưu pass 3𝛼𝑘
𝛼k = 𝛼h ⋅ C1⋅ Cvl • Xác định 𝛼ℎ
Chọn tốc độ khói trong pass 3: w = 7 m/s Đường kính trong của ống lửa: dtr = 0,046 m
Tra đồ thị 6.7 ta có 𝛼h = 20,8kcal/m2 h∘C = 87,03 kJ/m2 h∘C • Xác định 𝐶vl
Nhiệt độ trung bình của khói ở pass 3 𝜃tb3 = 𝜃v3 + 𝜃r3
2 =
690 + 410
2 = 550
∘C Tỷ lệ hơi nước với khói thải rH
Tra đồ thị 6.7 ta có 𝐶𝑣l = 0,8
• Xác định 𝐶1 Tỷ số chiều dài và đường kính ống lửa ở pass 3 là l dtr = 2,8 0,046= 60,87 Tra đồ thị 6.7 ta có 𝐶1 = 1 [TL1-T78]
Hệ số toả nhiệt đối lưu pass 3
𝛼k = 𝛼h ⋅ C1⋅ Cvl = 87,03 ⋅ 0,8 ⋅ 1 = 79,62 kJ/m2 h∘C Hệ số toả nhiệt bức xạ pass 3𝛼𝑏
𝛼𝑏 = 𝛼ℎ⋅ 𝐶𝑘⋅ 𝑎 kJ/m2 h∘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 3: 𝜃tb3 = 550 ∘C
Tra đồ thị 6.12 ta có 𝛼ℎ = 54kcal/m2 h∘C = 225,94 kJ/m2 h∘C và Ck = 0,95 [TL1-T86] Xác định a
𝑎 = 1 − 𝑒−𝑘 .𝑝.𝑠
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 s = 3,6 ⋅ V3 Fv3 Thể tích lớp bức xạ V3 V3 = 𝜋 ⋅dtr 2 4 ⋅ l ⋅ n3 = 𝜋 ⋅ 0, 0462 4 ⋅ 2,8 ⋅ 30 = 0,14 m 3 Diện tích các bề mặt bao bọc Fv3
Fv3 = 𝜋 ⋅ dtr⋅ 1 ⋅ n3= 𝜋 ⋅ 0,046 ⋅ 2,8 ⋅ 30 = 12,14 m2 s = 3,6 ⋅ V3 Fv3 = 3,6 ⋅ 0,14 12,14= 0,042 m k: Hệ số làm yếu tia bức xạ k = (0,78 + 1,6 ⋅ rH2O √pn⋅ s − 0,1) ⋅ (1 − 0,37 ⋅ 𝜃tb3 1000) Với pn = p ⋅ rn = rH 2O+ rRO 2 = 0,111 + 0,131 = 0,242 k = (0,78 + 1,6.0,111 √0,242.0,042 − 0,1) ⋅ (1 − 0,37. 550 + 273 1000 ) = 6,54 Vậy: 𝑎 = 1 − 𝑒−6,54.0,042 = 0,24 Hệ số toả nhiệt bức xạ pass 3𝛼𝑏
𝛼𝑏 = 𝛼ℎ ⋅ 𝐶𝑘⋅ 𝑎 = 54 ⋅ 1 ⋅ 0,24 ⋅ 0,95 = 12,31kcal/m2 h∘C = 51,51 kJ/m2 h∘C Hệ số toả nhiệt từ môi chất nóng cho vách 𝛼1
𝛼1= 79,62 + 51,51 = 131,13 kJ/m2 h∘C = 31,34kcal/m2 h∘C Vậy: Hệ số truyền nhiệt
𝑘 = 11 𝛼1+ 𝜀
= 1 1
31,34+ 0,015
= 21,32kcal/m2 h∘C
3.5.3. Phương trình truyền nhiệt
Nhiệt lương do bề bặt đốt hấp thụ bằng đối lưu và bức đối với 1 kg nhiên liệu. Qtr3 =k ⋅ Fv3 ⋅ Δ𝜃3
Bt [ TL1 − T58 ]
• Fv3 : Bề mặt bao bọc tại pass 3 Fv3 = 12,14 m2 - 𝐵𝑡 :Tiêu hao nhiên liệu tính toán kg/h
• k: Hệ sô truyền nhiệt của bề mặt đốt tính toán kcal/m2 h∘C • Độ chênh lệnh nhiệt độ Δ𝜃∘C
Δ𝜃max = 𝜃3v+ 𝜃bh = 690 − 170 = 520∘C Δ𝜃min = 𝜃3r + 𝜃bh = 410 − 170 = 240∘C Δ𝜃 = Δ𝜃max − Δ𝜃min ln (Δ𝜃max Δ𝜃min) = 520 − 240 ln (520 240) = 362∘C 𝑄tr3 = k ⋅ Fv3⋅ Δ𝜃 Bt = 21,32.12,14.362 75,26 = 1244,95kcal/kg = 5212,36 kJ/kg Xác định ΔQ% giữa Qtr3 và Qcb3 ΔQ = Qcb3− Qtr3 (Qcb3+ Qtr3) ⋅ 0,5⋅ 100 = 5648,86 − 5212,36 (5648,86 + 5212,36).0,5 ⋅ 100 = 8,04% ΔQ > 2%
ΔQ > 2% : Nhiệt độ khói ra tại pass 3 là 𝜃3r = 410∘C
3.6. Tính toán khí động lò hơi3.6.1. Mục đích 3.6.1. Mục đích
Mục đích của tinh 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.
3.6.2. Tính toán lực hút tự nhiên của ống khói
ℎ𝑐= ±𝐻 ⋅ (𝜌𝑎 − 𝜌0 ⋅ 273 273 + 𝜃) • H: chiều cao ống khói
Đối với lò có sản lượng hơi dưới 5 Tấn/h chọn H = 30 m - g: gia tốc trọng trường 9.81 m/s2
• 𝜃k : Nhiệt độ trung bình của đường khói 𝜃k = 𝜃kv −1
2Δ𝜃. H • 𝜃kv : nhiệt độ vào ống khói 410∘C
Mức giảm nhiệt độ của khói qua 1 m chiều cao ống được xác định Δ𝜃 = C
Trong đó: • c: Hệ số thực nghiệm c = 1,05 • D: Sản lượng hơi 1 Tấn/h = 0.278 (kg/s) Δ𝜃 = 1,05 √0,278= 1,99 ∘C/m 𝜃 = 410 −1 2. 1,99.30 = 380 ∘C • 𝜌a : Khối lượng riêng của khống khí xung quanh
𝜌a = 0132 ⋅ 273 273 + 𝜃k = 0,132 ⋅ 273
273 + 30 = 0,12kgs
2/m4
• 𝜌0 : Khối lượng riêng của khói ở 0∘C và 760mmHg. 𝜌0 = 1 − 0,01. 𝐴 1𝑣 + 1,306. 𝑉0 𝑔. 𝑉𝑘 = 1 − 0,01.0,5 + 1,306.10,365 9,81.12,1785 = 0,12kgs 2/m4 Vậy: ℎ𝑐= 30.9,81. (0,132 − 0,12 273 273 + 380) = 24,08mmH2O 3.6.3. Tính toán trở lực Trở lực ma sát: Δhm = 𝜆 ⋅ l dol⋅ w2 2 ⋅ 𝜌N/m 2 • Pass 1: 𝜆 : Hệ số ma sát. 𝜆 = 0,02 l: Chiều dài ống lò. l = 2,5 m dol : Đường kính ống lò. dol = 0,548 m W: Tốc độ khói trong pass 1. w = 14 m/s
𝜌: Khối lượng riêng của khói. 𝜌 = 0,116kgs2/m4 Δhm1= 0,02 ⋅ 2,5 0,548⋅ 142 2 ⋅ 0,116 = 1,037 N/m 2 • Pass2: 𝜆 : Hệ số ma sát. 𝜆 = 0,02
1: Chiều dài ống lửa pass 2.1 = 2,5 m dtr : Đường kính ống lò. dtr = 0,046 m W: Tốc độ khói trong pass 2. w = 8 m/s
𝜌 : Khối lượng riêng của khói. 𝜌 = 0,116kgs2/m4
Δhm2 = 002 ⋅ 2,5 0,046⋅ 82 2 ⋅ 0,116 = 4,034 N/m 2 • Pass 3 𝜆 : Hệ số ma sát. 𝜆 = 0,02
l: Chiều dài ống lửa pass 3.1 = 2,8 m dtr : Đường kính ống lò. dtr = 0,046 m W: Tốc độ khói trong pass 3. w = 7 m/s
𝜌 : Khối lượng riêng của khói. 𝜌 = 0,116kgs2/m4
Δhm3 = 002 ⋅ 2,8 0,046⋅ 72 2 ⋅ 0,116 = 3,46 N/m 2 Vậy: ∑ Δhm = Δhm1+ Δhm2+ Δhm3 = 1,037 + 4,03 + 3,46 = 8,527 N/m2 Trở lực cục bộ
Δhcb= 𝜉 ⋅w
2
2 ⋅ 𝜌N/m
2
• Tại đầu ra của Pass 1: 𝜉 : Hệ số trợ lực cục bộ. 𝜉 = 1,1
W: Tốc độ khói trong pass 1. w = 14 m/s
𝜌 : Khối lượng riêng của khói. 𝜌 = 0,116kgs2/m4
Δhcb1 = 1,1 ⋅14
2
2 ⋅ 0,116 = 12,5 N/m
2
• Tại đầu vào Pass 2: 𝜉 : Hệ số trợ lực cục bộ. 𝜉 = 2
w: Tốc độ khói vào pass 2. w = 6 m/s
𝜌: Khối lượng riêng của khói. 𝜌 = 0,116kgs2/m4 Δhcb2= 2 ⋅ 6
2
2 ⋅ 0,116 = 4,176 N/m
2
• Tại đầu ra Pass 2:
𝜉 : Hệ số trợ lực cục bộ. 𝜉 = 0,5
w: Tốc độ khói ra pass 2. Chọn w = 8 m/s 𝜌: Khối lượng riêng của khói. 𝜌 = 0,116kgs2/m4
Δhcb3 = 0,5 ⋅8
2
2 ⋅ 0,116 = 1,836 N/m
2
• Tại đầu vào Pass 3: 𝜉 : Hệ số trợ lực cục bộ. 𝜉 = 2
W: Tốc độ khói vào pass 3. Chọn w = 5 m/s 𝜌: Khối lượng riêng của khói. 𝜌 = 0,116kgs2/m4
Δhcb4 = 2 ⋅ 5
2
2 ⋅ 0,116 = 2,9 N/m
2
𝜉 : Hệ số trợ lực cục bộ. 𝜉 = 0,5 w: Tốc độ khói ra pass 3. w = 7 m/s
𝜌 : Khối lượng riêng của khói. 𝜌 = 0,116kgs2/m4 Δhcb5 = 0,5 ⋅7 2 2 ⋅ 0,116 = 1,421 N/m 2 Vậy: ∑ Δhcb = Δhcb1+ Δhcb2+ Δhcb3+ Δhcb4+ Δhcb5 = 12,5 + 4,176 + 1,856 + 2,9 + 1,421 = 22,853 N/m2
3.6.4. Kiểm tra điều kiện hút tự nhiên của ống khói:
Để đảm bảo điều kiện hút tự nhiên thì: ℎ𝑐≥ 1,2Δ𝐻 ΔH = ∑ Δh ⋅ 𝜌0
0,132⋅ 760
hb N/m
2
• ∑Δh : Tổng các trở lực trên đường khói
∑ Δh = ∑ Δhm+ ∑ Δhcb = 8,537 + 22,853 = 31,33 N/m2
= 3,133mmH2O
• 𝜌0 :Khối lượng riêng của khói ở 0∘C và 760mmHg. 𝜌0 = 0,12kgs2/m4
• hb : Áp suất khí quyển. hb = 760mmHg ΔH = ∑ Δh ⋅ 0,12
0,132⋅ 760
760= 2,85mmH2O • hc : Lực hút tự nhiên của ống khói. hc = 24,08mmH2O Ta có:
ℎ𝑐≥ 1,2Δ𝐻
24,08 ≥ 1,2.2,285 = 2,742 (Thỏa điều kiện hút tự nhiên) Vậy lò hơi này không cần dùng quạt.
3.7. Tính toán sức bền lò hơi3.7.1. Tính sức bền cho thân lò 3.7.1. Tính sức bền cho thân lò
Thông số tính toán
• Vật liệu chế tạo: Thép CT3
• Đường kính trong thân lò dt1 = 1700 mm • Áp suất tính toán: 15 bar
Nhiệt độ tính toán của vách thân lò
Thân lò hơi được thiết kế không tiếp xúc trực tiếp với nhiệt, nằm ngoài đường khói. Nhiệt độ tính toán của vách thân lò hơi bằng nhiệt độ hơi nước bão hoà ở áp suất thiết kế.
𝑡𝑣 = 𝑡𝑏ℎ + 4. 𝑆 + 30 = 170 + 4.0,01 + 30 = 200∘C
Trong tất cả các trường hợp đối với lò hơi nhiệt độ vách không nên chọn nhỏ hơn 250∘C. Vậy lấy 𝑡𝑣 = 250∘C
Úng suất cho phép của kim loại chế tạo thân lò
Úng suất cho phép của kim loại được tính toán như sau 𝜎𝑐𝑝 = 𝜂 ⋅ 𝜎𝑐𝑝∗
Trong đó:
• 𝜂 : Hệ số đặc trưng về cấu tạo và những đặc biệt trong vận hành của các bộ phận lò hơi.
Do thân lò nằm ngoài đường ống và được bọc cách nhiệt 𝜂 = 1 - 𝜎𝑐𝑝∗ : Ú'ng suất cho phép của thép CT3 (kg/mm2)
Với tv = 250∘C Tra bảng 9.2 [TL1-T78] ta có 𝜎cp∗ = 12 kg/mm2 Vậy: 𝜎𝑐𝑝= 𝜂 ⋅ 𝜎𝑐𝑝∗ = 1.12 = 12 kg/mm2
Tính chiều dày thân lò
S = p ⋅ dt
200 ⋅ 𝜑 ⋅ 𝜎cp − p+ C Trong đó:
• p : Áp suất tính toán p = 15 bar
• dtr : Đường kính trong thân lò dtr = 1700 mm • 𝜑 :Hệ số bền vũng.
Sử dụng phương pháp hàn điện và hàn hơi bằng tay 𝜑 = 0,7 𝜎cp :Úng suất cho phép của kim loại 𝜎cp = 12 kg/mm2
S = p ⋅ dtr
200 ⋅ 𝜑 ⋅ 𝜎cp − p+ C =
15 ⋅ 1700
200 ⋅ 0,7 ⋅ 12 − 15+ C = 15,32 + C Vì S < 20mm Nên C =1
Hay s = 15,32 + 1 = 16,32 mm. Chọn chiều dày thực tế là 18 mm để đảm bảo bền
3.7.2. Tính sức bền cho ống lò
Thông số tính toán
• Vật liệu chế tạo: Thép 20 K
• Đường kính trong ống lò dtr = 0,548 m = 548 mm
• Áp suất tính toán 15 bar
Nhiệt độ tính toán của vách ống lò Nhiệt độ tính toán của vách ống lò 𝑡𝑣 = 𝑡𝑏ℎ+ 4. 𝑆 + 60
= 170 + 4.0,008 + 30 = 230∘C
Trong tất cả các trường hợp đối với lò hơi nhiệt độ vách không nên chọn nhỏ hơn 250∘C. Vậy lấy 𝑡𝑣 = 250∘C
Úng suất cho phép của kim loại chế tạo ống lò
Úng suất cho phép của kim loại được tính toán như sau 𝜎 = 𝜂 ⋅ 𝜎∗
Trong đó:
• 𝜂 : Hệ số đặc trưng về cấu tạo và những đặc biệt trong vận hành của các bộ phận lò hơi. Ông lò bị đốt nóng 𝜂 = 0,5
• 𝜎𝑐𝑝∗ : Ú'ng suất cho phép của thép 20 K( kg/mm2) Với 𝑡𝑣 = 250∘C Trabảng 9.2 ta có 𝜎𝑐𝑝∗ = 13,2 kg/mm2
Vậy: 𝜎𝑐𝑝= 𝜂 ⋅ 𝜎𝑐𝑝∗ = 0,5 ⋅ 13,2 = 6,6 kg/mm2 Tính chiều dày ống lò
Thân lò có dạng hình trụ, chịu tác động từ bên trong
𝑠 = 𝑝 ⋅ 𝑑𝑡𝑟
400 ⋅ 𝜎𝑐𝑝 ⋅ [1 + √
a. l. 𝜎𝑐𝑝
𝑝 ⋅ (𝑑𝑡𝑟+ 1)] + 2 mm Trong đó:
• p : Áp suất tính toán p = 15 bar
• dtr : Đường kính trong ống lò lò dtr = 548 mm 𝜎cp : Úng suất cho phép của kim loại 𝜎cp = 6,6 kg/mm2
• a : Ông đặt nằm ngang a = 6,25 • 1: Chiều dài của ống lò 𝑙 = 2,5 Vây:
𝑠 = 15.548
400.6,6⋅ [1 + √6,25.2500.6,6
15.(548+1)] + 2 = 16,13 mm
Chọn chiều dày ống lò là 18 mm để đảm bảo bền
3.7.3. Tính sức bền cho ống lửa
Thông số tính toán
• Vật liệu chế tạo: Thép C20
• Áp suất tính toán 15 bar Nhiệt độ tính toán của vách ống lủa Nhiệt độ tính toán của vách ống lửa
𝑡𝑣 = 𝑡𝑏ℎ+ 4. 𝑆 + 60 = 170 + 4.0,025 + 30 = 200∘C
Trong tất cả các trường hợp đối với lò hơi nhiệt độ vách không nên chọn nhỏ hơn 250∘C. Vậy lấy 𝑡𝑣 = 250∘C
Ứng suát cho phép của kim loại chế tạo ống lủa
Ứng suất cho phép của kim loại được tính toán như sau 𝜎𝑐𝑝 = 𝜂 ⋅ 𝜎𝑐𝑝∗
Trong đó:
• 𝜂 : Hệ số đặc trưng về cấu tạo và những đặc biệt trong vận hành của các bộ phận lò hơi.
Ông lửa 𝜂 = 0,7 • 𝜎cp∗ : Úng suất cho phép của thép C20 (kg/mm2)
Với 𝑡𝑣 = 250∘C Tra bảng 9.2 ta có 𝜎𝑐𝑝∗ = 13,2 kg/mm2 Vậy: 𝜎𝑐𝑝 = 𝜂 ⋅ 𝜎𝑐𝑝∗ = 0,7 ⋅ 13,2 = 9,24 kg/mm2
Tính chiều dày ống lửa
Chiều dày tối thiểu của ống lửa chịu áp suất ngoài được xác định bằng công thức: s = p ⋅ dng
200 ⋅ 𝜑 ⋅ 𝜎cp+ p+ C Trong đó:
• p: Áp suất tính toán p=15 bar
• dng : Đường kính trong thân lò dng = 51 mm • 𝜑 : Hệ số bền vũng.