9.1. Phương trình trao đổi nhiệt đối lưu
Mặc dù các bề mặt nung nĩng kiểu đối lưu cĩ các chức năng khác nhau (như thiết bị quá nhiệt hơi, thiết bị hâm nhiệt nước, thiết bị làm nĩng khơng khí), nhưng tất cả chúng đều nhận nhiệt bằng đối lưu, như vậy sự toả nhiệt từ các sản phẩm cháy tới các bề mặt này đều diễn ra theo các quy luật trao đổi nhiệt đối lưu.
Các phương trình cơ bản của trao đổi nhiệt là:
Phương trình truyên nhiệt:
Qt = kAtH / B/ th (1.72)
ỏ đày lượng nhiệt truyền qua bề mặt được xác định cho 1 kg nhiên liệu.
Phương trình cân bằng nhiệt:
- Về phía khí cháy:
Q baío ng - 9 [ I khĩi I"khĩi + v ° k h . k h i ( c t )kh. lạnh] (1.73)- Về phía mơi chất làm việc: - Về phía mơi chất làm việc:
MJ/kg; H - bề mặt nung nĩng, m2;
k - hệ số truyền nhiệt, MW/(m2.K); At - độ chênh nhiệt độ trung bình, HC; D - lưu lượng mơi chất, kg/s;
Bi.th - lưu lượng nhiên liệu tính tốn lý thuyết, kg/s;
ĩ'khoi- entanpi của sản phẩm cháy ở đầu vào các bề mặt nung nĩng, MJ/kg;
ivào và ira- entanpi của mơi chất ở đầu vào và ra, MJ/kg.
Đối với các bể mặt mà các thơng số đầu vào và đầu ra của mơi chất đã xác định thì lượng nhiệt trao đổi được tính theo phía nhận nhiệt. Ví dụ với thiết bị quá nhiệt hơi mới:
Qq.nh — Oq.nh — 1 Qton.that) D (1.75) ở đây D - lượng hơi đi qua thiết bị quá nhiệt, kg/s;
iq nh - entanpi của hơi quá nhiệt, Mj/kg;
i" - entanpi của hơi bão hồ, MJ/kg;
qton that - lượng nhiệt thải ra trong thiết bị làm lạnh hơi, MJ/kg.
Tính tốn thiết bị quá nhiệt trung gian được thực hiện theo các giá trị cho trước về lượng hơi đi qua thiết bị Dtr gianvà các thơng sơ' của hơi; i tvragian và i[“gian:
Qtr.gìan = % ^ ( C g i a n - ‘v.gian) (1-76)
Lượng nhiệt thu được của thiết bị làm nĩng khơng khí xác định theo cơng thức: Qsay.kkh - ^khi.nĩng(l khi.nong ~ 1 khi.lanh) (1.77) trong đĩ a khi non„ - hệ số dư khơng khí trong khơng khí nĩng khi ra khỏi thiết bị làm nĩng;
l°khi nong - entanpi khơng khí ở đầu ra của thiết bị làm nĩng khi a = 1, MJ/kg; l°khi.ianh - entanpi khơng khí ở đầu vào thiết bị làm nĩng, thường khi 30°c và a = 1,
MJ/kg;
Trong thiết bị hâm nhiệt của nồi hơi kiểu cĩ thùng chứa, các thơng số của mơi chất ờ đầu ra khơng biết trước, do vậy cần thiết lập phương trình cân bằng nhiệt theo phía khí cháy (1.73). Đối với thiết bị hâm nhiệt của nồi hơi kiểu thuận dịng, trạng thái mơi chất ở đầu vào và đầu ra đã biết, do vậy lượng nhiệt trao đổi được xác định theo phương trình càn bằng nhiệt theo mơi chất (1.74).
9.2. Hệ số truyền nhiệt trong bề mặt nung nĩng đơi lưu
ở trường hợp truyền nhiệt từ,sản phẩm cháy cho mơi chất trong các bề mặt đối lưu của nồi hơi, hệ số truyền nhiệt trên cơ sở lý thuyết trao đổi nhiệt cĩ thể được viết dưới dạng sau:
1 (1.78) (1.78) k = 1 ỗb Ơ s b, — -I----- —---- I------— -f----- 01 ^-bn ^b.t 1
ở đây a , - hệ số toả nhiệt từ sản phẩm cháy tới bề mặt nung nĩng, W/(m2.K); CCT - hệ số toả nhiệt từ bề mặt nung nĩng tới mơi chất, W/(m2.K);
ơv, 5bn, ơbt - tương ứng là độ dày của vách bề mặt, của bẩn bám bên ngồi và bên trong, m;
Xy, x bt, xbn - tương ứng là hệ số dẫn nhiệt của kim loại bề mặt, của bẩn bám bên trong
và bên ngồi, W/(m2.K);
Các bề mặt nung nĩng là các ống cĩ đường kính và độ dày khơng lớn, õv = 0,003 +
0,006 m. Độ dẫn nhiệt của kim loại ống khá lớn Xv = 30 -ỉ- 40 W/(m.K), do đĩ trở kháng nhiệt của vách rất nhỏ và cĩ thể bỏ qua, Sv/ À.v « 0. Cặn bẩn bám trên bề mặt trong của vách hầu như khơng cĩ. Nếu cĩ xuất hiện cặn bẩn này thì cĩ nghĩa là chế độ làm việc của nồi hơi đã cĩ vấn đề khơng tốt.
Tính tốn nhiệt được thực hiện với các điều kiện định mức và lấy Ơbt / x bt = 0. Riêng với các bề mặt ở vùng chuyển tiếp cĩ ngoại lệ và được phép cĩ một lượng nhỏ cặn bẩn bám, điều này làm thay đổi một cách rõ nét chế độ trao đổi nhiệt. Các cặn bẩn bên ngồi (xỉ, tro, bồ hĩng, các sản phẩm ăn mịn) tuy được thường xuyên làm sạch nhưng bao giờ cũng vẫn cịn. Tỷ lệ ỗbn / ^ bn được ký hiệu là 8 và gọi là hệ số bám bẩn.
Truyền nhiệt từ sản phẩm cháy tới bề mặt nung nĩng phụ thuộc nhiều vào khí động học của dịng khí cháy: mức độ bao bọc dịng khí với bề mặt, sự tạo thành các vùng khí đọng (khơng chuyển động). Điều này làm giảm sự toả nhiệt theo phía khí cháy và làm tăng hệ số sử dụng ị . Khi đĩ cơng thức (1.78) cĩ dạng:
k = ------ị---- ----------— (1.79)
------ ------- + 8 + —
a dt + a bx a 2
ở đây a dt - hệ sơ' toả nhiệt đối lưu, W/(m2.K);
a bx - hệ số toả nhiệt bức xạ giữa các ống, W/(m2.K);
ị - hệ số sử dụng nhiệt.
Trong cơng thức (1.79), cĩ cả thành phần hệ số toả nhiệt bên trong a 2 và hệ số bám bẩn 8 được sử dụng để tính tốn thiết bị quá nhiệt kiểu ống bố trí dạng bàn cờ khi đốt nhiên liệu dạng bột.
Để hệ số truyền nhiệt tính tốn gần với giá trị lớn nhất, cần cấu trúc các bề mặt nung nĩng sao cho nĩ được bao bọc tồn bộ bởi sản phẩm cháy (£, -> 1), cịn khi vận hành cần phải theo dõi để bề mặt ngồi của các ống khơng cĩ sự bám bẩri (s -> 0).
bộ gia nhiệt a 2 ~ 3 -5- 5 kW/(m2.K). Trở kháng nhiệt l/oc2 đối với các bề mặt này cũng như trong thiết bị quá nhiệt hơi áp suất trên tới hạn hồn tồn nhỏ và bằng:
k = _____________1_____________ (1.80) 4 ( « d t + a bx) + e
Trong nhiều trường hợp khơng cĩ các số liệu tin cậy về hệ số bám bẩn 8, do đĩ người ta thay nĩ bằng hệ số hiệu quả nhiệt ¥ là tỷ số các hệ số truyền nhiệt của các ống bị bám bẩn và các ống sạch.
Với bất kỳ cách bố trí các ống bề mặt nung nĩng và đốt cháy khí - mazut cũng như cách bố trí các khoảng trống và đốt cháy nhiên liệu rắn, hệ số truyền nhiệt cĩ tính đến hệ sỏ hiệu quả nhiệt bằng:
- Đối với thiết bị quá nhiệt:
¥
k = ----------------- T (1-81)
--------------- 1-----
a dt + a bx « 2
- Đối với các Ống sinh hơi, vùng chuyển tiếp và thiết bị hâm nhiệt:
k = 'F .(adt + a bx) (1.82)
Giá trị ¥ phụ thuộc vào loại nhiên liệu: đối với nhiên liệu rắn và mazut 'F = 0,6 t 0,7; với đá phiến và nhiên liệu khí ¥ = 0,85 -r 0,9.
Tính tốn trao đổi nhiệt trong thiết bị làm nĩng khơng khí thực hiện với hệ số sử dụng
ị, cĩ tính đến ảnh hưởng của độ bám bẩn s, độ bao bọc khơng hồn tồn bề mặt nung nĩng
bởi khơng khí và sản phẩm cháy và sự tràn khơng khí trong các mạng ống. Do nhiệt độ của sản phẩm cháy thấp và thế tích khí cháy nhỏ nên cĩ thể bỏ qua bức xạ nhiệt.
Với các lập luận như trên, hệ số truyền nhiệt đối với thiết bị làm nĩng khơng khí kicu thu nhiệt:
k = 5- Y - Y (1.8 3)
a 2
và với kiểu hồn nhiệt:
k = ^ n — ĩ— "—r ~ (L84)
— - — + — - —
Xị ơ! x 2a 2
ở đây Xj = Hkhoi / H = Fkhoi / F - phần bề mặt hoặc tiết diện được bao bọc bởi sản phẩm cháy; x2 = Hkh khi / H = Fkh khi / F - phần bề mặt hoặc tiết diện được bao bọc bởi khơng khí;
n - hệ số khơng ổn định cĩ tính đến sự khơng ổn định của quá trình truyển nhiệt (cĩ ảnh hưởng tới tổng chênh lệch nhiệt độ).
Đối với bề mặt nhận nhiệt bức xạ với nhiên liệu cháy bất kỳ:
k = 1 S(.a dt + « b x ) + 1 + Q bxf l Q J , o S + —- V «2 ) (1.85)
Với cơng thức này lượng nhiệt thu nhận từ lị bởi các tấm feston cũng được tính đến Qbxf/ Q- ở đây Q - lượng nhiệt truyền cho tấm feston bằng đối lưu và bức xạ giữa các ống [xác định từ các cơng thức (1.72) - (1.74)]; Qbxf - nhiệt lượng truyển cho tấm feston bằng bức xạ từ buồng đốt cĩ tính đến lượng nhiệt truyển cho tấm tiếp theo.