CHƢƠNG II : LỰA CHỌN NỒI HƠI VÀ TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT
2.4. Cân bằng nhiệt của nồi hơi
2.4.1. Phƣơng trình cân bằng nhiệt tổng quát
Lƣợng nhiệt sinh ra trong quá trình cháy nhiên liệu đƣợc chia thành hai phần: một phần dùng để cung cấp cho nƣớc sinh thành hơi với thông số đã cho gọi là nhiệt hữu ích. Cịn một phần nhiệt mất đi trong q trình làm việc của nồi hơi gọi là tổn thất nhiệt. Ứng với 1 m3tc nhiên liệu biogas cháy trong nồi hơi ở điều kiện vận hành ổn định có phƣơng trình cân bằng nhiệt tổng qt nhƣ sau:
Qdv = Q1 + Q2 +Q3 +Q4 +Q5 +Q6, kJ/m3 Trong đó:
Qdv - lƣợng nhiệt đƣa vào ứng với 1m3 nhiên liệu biogas, kJ/m3. Q1 - lƣợng nhiệt hữu ích dùng để sản xuất hơi, kJ/m3.
Q2 - tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngồi, kJ/m3.
Q3 - tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn tồn về mặt hóa học, kJ/m3. Q4 - tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn tồn về mặt cơ học, kJ/m3. Q5 - tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra môi trƣờng, kJ/m3.
Q6 - tổn thất nhiệt do tro xỉ, kJ/m3.
Nếu biểu diễn dƣới dạng phần trăm ta có: Hay: q1 + q2 + q3+ q4+ q5+ q6 =100% Trong đó: q1= ; q2 = ; ….
Trong trƣờng hợp tổng qt thì lƣợng nhiệt đƣa vào gồm có:
Với: - nhiệt trị thấp của nhiên liệu, kJ/m3. - nhiệt vật lý của nhiên liệu, kJ/m3.
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 28
- nhiệt dung riêng của nhiên liệu, kJ/m3tc oC. - nhiệt độ của nhiên liệu, oC.
Nhiệt lƣợng nhiên liệu chỉ tính trong trƣờng hợp nhiên liệu đƣợc sơ bộ sấy nóng từ nguồn nhiệt bên ngoài (sấy dầu FO bằng hơi nƣớc, sấy bột than bằng hơi…), hoặc sấy nhiên liệu theo sơ đồ hở khi nhiệt độ và độ ẩm của nhiên liệu đƣợc chọn theo trạng thái của nhiên liệu trƣớc khi vào buồng lửa. Nếu không sấy bằng nguồn nhiệt bên ngồi thì nhiệt lƣợng của nhiên liệu chỉ đƣợc tính khi nhiên liệu có độ ẩm.
Ở đây ta không dùng bộ sấy khơng khí nên khơng khí cấp cho nồi hơi khơng sấy bằng nguồn nhiệt bên ngồi. Ta sử dụng nhiên liệu khí nên khơng cần phải sơ bộ sấy nóng từ nguồn nhiệt bên ngồi. Do đó ta khơng tính đến Qnl.
- nhiệt do khơng khí mang vào, kJ/m3.
- nhiệt do hơi phun vào nồi hơi, kJ/m3. Vì nhiên liệu là nhiên liệu khí nên khơng có Qp.
Nhiệt trị thấp của nhiên liệu biogas -
Trong đó:
- nhiệt trị cháy của các thành phần tƣơng ứng, kJ/m3tc.
- thành phần khí trong nhiên liệu, %
Nhiệt trị cháy của các thành phần khí [Tra bảng 2.3]: = 8555 kcal/m3 = 15226 kcal/m3 = 5585 kcal/m3 Thay số vào ta có : = 5313,28 kcal/m3 = 22241,4 kJ/m3.
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 29
Bảng 2.3 Đặc tính thành phần có trong khí đốt [4 – 15]
Tên gọi Ký hiệu Tỷ khối riêng
kg/m3 Nhiệt cháy QCH kcal/m3 Hydro H2 0,09 2579 Nitơ N2 1,251 Oxy O2 1,428 Oxit cacbon CO 1,250 3018 Cacbonic CO2 1,964 Hydro sunfur H2S 1,520 5585 Metan CH4 0,716 8555 Etan C2H6 1,342 15226 Propan C3H8 1,967 21795 Butan C4H10 2,593 28338 Pentan C6H12 3,218 34890 Etylen C2H4 1,251 14107 Propylene C3H6 1,877 20541 Bulyten C4H8 2,503 27111 Benzen C6H6 3,485 33528
Nhiệt lƣợng do khơng khí mang vào
Trong đó:
- nhiệt dung riêng của khơng khí, . - nhiệt độ khơng khí vào nồi hơi, .
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 30
2.4.1. Tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngồi Q2
Khơng khí đƣa vào nồi hơi ở nhiệt độ 30oC trong khi đó nhiệt độ khói thải ra nồi hơi, ta chọn là 170oC. Nhƣ vậy cần phải chi phí một lƣợng nhiệt để đốt nóng khơng khí từ nhiệt độ đầu đến nhiệt độ khí thải. Tổn thất này gọi là tổn thất nhiệt do khí thải mang ra ngồi.
Trong đó:
- enthalpy của khói thải, kJ/m3. (ở 170oC)
Ith
o
+ (αth – 1).Ikklo
Itho - enthalpy của sản phẩm cháy ở nhiệt độ khói thải tƣơng ứng với α = 1. Tra bảng 2.2, ta đƣợc: Thay số vào ta đƣợc: Itho = = 0,98199.(301,231) + 4,666.(220,811) + 1,3217.(258,428) = 1667,674 kJ/m3
Ikklo - enthalpy của khơng khí ở nhiệt độ khói thải tƣơng ứng α = 1 Ikklo = .(ct)kk = 5,9029.(222,168) = 1311,44 kJ/m3. → Itho
+ (αth – 1).Ikklo
= 1667,674 + (1,1 – 1).1311,44 = 1798,82 kJ/m3 - enthalpy của khơng khí lạnh đƣa vào nồi hơi, kJ/m3.
- hệ số khơng khí thừa ở vị trí khói thải,
- nhiệt độ khơng khí mơi trƣờng,
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 31
là tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn tồn về mặt cơ học, %. Vì nhiên liệu là nhiên liệu khí thì khơng có tro, nên q4 = 0% Thay số vào ta đƣợc: → kJ/m3 Ta có:
2.4.1. Tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn tồn về mặt hóa học Q3
Khi nhiên liệu cháy khơng hồn tồn thì trong khói cịn các chất khí chƣa cháy hết nhƣ: CO, H2, CH4. Những khí này cịn có thể cháy và sinh ra nhiệt lƣợng
đƣợc nhƣng chƣa cháy đả bị thải ra ngoài, làm mất đi một lƣợng nhiệt gây nên tổn thất nhiệt gọi là tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn tồn về mặt hóa học.
Muốn kiểm tra cháy hoàn toàn hay khơng hồn tồn thì ta phải phân tích khói lị về hàm lƣợng các loại khí. Theo kinh nghiệm ngƣời ta thƣờng chọn số liệu thực tế với nhiên liệu khí là: q3 = 1,5%. [5 – 37]
2.4.2. Tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn tồn về mặt cơ học Q4
Nhiên liệu đƣa vào nồi hơi có một phần chƣa tham gia vào sự cháy đã bị thải ra gây tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn toàn về mặt cơ học. Với nhiên liệu là nhiên liệu khí thì khơng có tro nên q4 = 0% [5 - 39].
2.4.3. Tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra môi trƣờng Q5
Bề mặt xung quanh nồi hơi ln ln có nhiệt độ cao hơn mơi trƣờng xung quanh, gây nên sự tỏa nhiệt từ nồi hơi đến khơng khí lạnh, nghĩa là gây nên tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra môi trƣờng Q5.
Tổn thất nhiệt Q5 phụ thuộc vào nhiệt độ và diện tích xung quanh nồi hơi. Nhiệt độ càng cao thì Q5 càng lớn do vậy cần phải bảo ôn nồi hơi để nhiệt độ mặt ngồi thấp xuống. Diện tích tiếp xúc của nồi càng lớn thì Q5 càng lớn.
Theo thực nghiệm q5 = 0,5 3,5% [1 – 43]. Vì nồi hơi cơng suất nhỏ (D = 200kg/h), nên ta không cần thiết kế phần đi lị (bộ sấy khơng khí, bộ hâm nƣớc). Ta lấy q5 = 1,8% .
2.4.4. Tổn thất nhiệt do tro xỉ Q6
Vì nhiên liệu ta sử dụng là nhiên liệu khí nên trong q trình cháy khơng tạo xỉ. Do đó ta có q6 = 0%.
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 32
2.5 / Tính hiệu suất sơ bộ nồi hơi.
Hiệu suất của nồi hơi là tỷ số giữa nhiệt lƣợng hữu ích và nhiệt lƣợng đƣa vào nồi.
Hay: = q1 = 100 – (q2 + q3+ q4+ q5+ q6)
→ = q1 = 100 – (6,87 + 1,5 + 0 + 1,8 + 0) = 89,83%
2.6 / Lƣợng tiêu hao nhiên liệu.
Vì đây là nồi hơi sản xuất hơi bão hịa nên Dqn = 0, khơng có q nhiệt trung gian Dqt = 0, nhiệt lƣợng do khơng khí hấp thụ bên ngồi bằng 0.
Vậy nhiệt hữu ích cấp cho nồi:
Trong đó:
Dbh - lƣợng hơi bão hịa dẫn đi cung cấp trực tiếp khơng qua bộ quá nhiệt, Dbh = 200 kg/h.
ibh - enthalpy của hơi bão hòa, xác định theo áp suất trong bao hơi, kcal/kg. Với áp suất hơi bão hòa p = 5 bar, tra bảng nƣớc và hơi nƣớc trên đƣờng bão hòa [1 – 290]:
ibh = 657,7 kcal/kg
- enthalpy của nƣớc cấp cho nồi hơi, kcal/kg.
Nhiệt độ nƣớc cấp là 25oC, với p = 5 bar, tra bảng nƣớc chƣa sôi và hơi quá nhiệt ta đƣợc[1 – 297]:
inc = 25,11 kcal/kg
Vậy: Q1 = 200.(657,7 – 25,11) = 126518kcal/h = 529604,4 kJ/h Lƣợng tiêu hao nhiên liệu :
Lƣợng tiêu hao nhiên liệu tính tốn: (
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 33
CHƢƠNG III
TÍNH TỐN THIẾT KẾ NỒI HƠI
3.1/ Tính tốn thiết kế buồng lửa
Thể tích buồng lửa
Trong đó: - thể tích của buồng lửa.
- nhiệt thế thể tích của buồng lửa. . (Nhiệt thế thể tích của khí biogas sẽ nhỏ hơn nhiệt thế thể tích của khí thiên nhiên.)
Thay số vào ta đƣợc:
Chọn kết cấu buồng lửa
Ta chọn hình dáng buồng lửa là hình trụ trịn.
Các ống nƣớc đƣợc hàn với nhau bởi một tấm thép dày 2mm.
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 34
Ta chọn sơ bộ kích thƣớc buồng lửa, với đƣờng kính buồng lửa D = 0,4 m. Đƣờng kính ngồi ống nƣớc d = 0,051 m và bề dày ống nƣớc s = 2,5 mm.
Diện tích của buồng lửa:
Chiều cao của buồng lửa:
Tồn bộ diện tích vách buồng lửa:
3.2/ Tính trao đổi nhiệt bức xạ trong buồng lửa
Nhiệt lƣợng hữu ích tỏa ra trong buồng lửa
Trong đó:
- tổng nhiệt, .
- nhiệt lƣợng do khơng khí mang vào buồng lửa, kcal/m3.
α α α α α
Nồi hơi ta đang thiết kế khơng có bộ sấy khơng khí nên .
→ α α
α là lƣợng khơng khí lọt vào buồng lửa. Chọn α [5 – 35]
α cần tính chỉ trong trƣờng hợp hệ thống nghiền than kín, cịn nếu hệ thống nghiền hở hoặc đối với các loại nồi hơi đốt dầu, đốt khí thì α = 0.
→
Thay số vào ta đƣợc:
→
Nhiệt lƣợng truyền lại cho buồng lửa đối với 1m3 nhiên liệu
( )
- enthalpy sản phẩm cháy của 1m3 nhiên liệu ở nhiệt độ t = 1000oC, = 11767,02 kJ/m3.
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 35
Tổng nhiệt dung trung bình sản phẩm cháy của 1m3 nhiên liệu
Nhiệt độ cháy lý thuyết xác định theo nhiệt lƣợng hữu ích tỏa ra trong buồng lửa bằng enthalpy của sản phẩm cháy Ia ở nhiệt độ và lƣợng khơng khí thừa ở điểm cuối buồng lửa α .
Ta có = Ia = 22171,011 = 5296,467 kcal/m3 Dựa vào bảng 2.2 ở chƣơng 2 ta có:
Nhiệt độ o C Itho Ikko Ith 1700 2512,26 4035,31 2484,04 3229,32 19817,77 14829,61 21300,727 1800 2674,26 4304,70 2643,66 3458,34 21129,55 15785,89 22708,135 Từ tính tốn trên → = 1762oC Thay số vào ta đƣợc: Hệ số làm bẩn bề mặt hấp thụ bức xạ quy ƣớc, tính đến sự giảm hấp thụ nhiệt do làm bẩn bề mặt, đƣợc chọn theo bảng [5 - 46] ξ = 1
Độ đen của buồng lửa
Trong đó:
- hệ số sử dụng nhiệt hữu ích của bề mặt truyền nhiệt. ξ
x - hệ số góc của dàn ống (tra đồ thị thực nghiệm hình 3.8/[1 – 113]. Đƣờng kính ống nƣớc là (đƣờng kính ngồi và bề dày). Bƣớc ống 52 mm. Tra đồ thị hình 3.8/[1 - 113], ta đƣợc x = 0,96.
→
- độ đen hiệu dụng của ngọn lửa.
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 36 - hệ số phụ thuộc vào sắc thái ngọn lửa. Tra bảng 5.7/[5 – 50].
→ = 1
a - độ đen môi trƣờng trong buồng lửa:
p - áp suất của buồng lửa. Lấy p = 1 atm.
k - hệ số làm yếu tia bức xạ bởi môi trƣờng buồng lửa.
( ) → = 0,311
Áp suất chung của khói là 1at, mà thành phần CO2, SO2 và H2O trong khói lị là:
%CO2 = %H2O=
Suy ra áp suất riêng phần của CO2 và H2O trong khói lị là:
→
s - chiều dày hữu hiệu lớp bức xạ của ngọn lửa.
Thay số vào ta đƣợc: ( ) → k.p.s = 1,553.1.0,361 = 0,561 0,43 Vậy:
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 37
Độ đen của buồng lửa:
Nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa
( ) Thay số vào ta đƣợc: ( ) Sai số:
Vậy nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa:
Tính lại enthalpy của sản phẩm cháy ở nhiệt độ .
Nhiệt độ o C Itho Ikko Ith 978 1375,31 2148,23 1358,31 1679,61 10667,4 8118,317 11479,23 Vậy enthalpy của sản phẩm cháy ở nhiệt độ :
Ith = 11479,23
Tổng nhiệt lƣợng bức xạ trong buồng lửa:
3.3/ Tính tốn các bề mặt trao đổi nhiệt đối lƣu
Phƣơng trình cân bằng nhiệt giữa nhiệt lƣợng do khói truyền lại
và nhiệt lƣợng do hơi, nƣớc hoặc khơng khí hấp thụ
Nhiệt lƣợng do bề mặt đốt hấp thụ bức xạ đối lƣu và bức xạ đối
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 38 Trong đó: là độ chênh lệch nhiệt độ, o C.
là lƣợng tiêu hao nhiên liệu, m3
/h. k là hệ số truyền nhiệt, kcal/m2
.h.oC.
H là diện tích trao đổi nhiệt trong 1 pass, m2
.
Theo điều kiện truyền nhiệt cân bằng, ổn định thì: Qcb = Qtr. Khi tính, ta chọn nhiệt độ cuối chƣa biết, sau đó giải hai phƣơng trình truyền nhiệt trên để xác định lƣợng nhiệt hấp thụ đối lƣu. Nếu lƣợng nhiệt hấp thụ nhận đƣợc từ phƣơng trình truyền nhiệt Qtr và từ phƣơng trình cân bằng nhiệt Qcb khác nhau khơng q
2% thì khơng cần tính lại bề mặt đốt, các giá trị nhiệt độ và nhiệt lƣợng hấp thụ tính trong phƣơng trình cân bằng nhiệt sẽ đƣợc coi là phƣơng trình cuối cùng. Nếu giữa Qtr và Qcb có sự khác nhau nhiều hơn giới hạn trên thì phải chọn lại nhiệt độ cuối và tiến hành tính lại.
3.3.1. Trao đổi nhiệt trong pass 2
Nhiệt độ khói ra khỏi buồng đốt và đi vào pass 2 là t1 = 978oC, nhiệt độ khói thải (chọn sơ bộ) ra khỏi pass 2 là t2 = 350oC.
t1 = 978oC I1 = 11479,23
t2 = 350oC I2 = 3759,62
Xác định Qcb1
Trong đó: là enthalpy của khói vào và ra khỏi bề mặt đốt, kJ/m3
.
là nhiệt lƣợng do lƣợng khơng khí lọt mang vào nồi hơi.
= 0,982.(11479,23 – 3759,63 + 0,05.253,106) = 7603,95 kJ/m3. Xác định Qtr1 Nhiệt độ tính tốn:
Vận tốc khói lưu thơng trong pass 2:
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 39
Diện tích tiết diện khói qua:
Trong đó:
d - đƣờng kính ngồi của ống, d = 0,051 m. Z - số ống trong 1 chùm ống, Z = 28 ống.
a,b - kích thƣớc của đƣờng khói trong tiết diện tính tốn. a.b = 0,12 m2.
Vận tốc khói đi trong pass 2:
Hệ số truyền nhiệt k:
Đối với bề mặt sinh hơi:
Trong đó:
Hệ số bám bẩn của các bề mặt đốt khơng có thổi lị khi đốt nhiên liệu khí, . [5 – 93].
-nhệ số tỏa nhiệt từ mơi chất nóng cho vách ống,
Hệ số tỏa nhiệt từ khói cho vách:
.
Trong đó:
- hệ số bao phủ tính đến sự giảm hấp nhiệt của bề mặt đốt do khơng
đƣợc khói bao phủ tồn bộ. Chọn theo hình 6.1/[5-62]. - hệ số tỏa nhiệt bằng đối lƣu,
GVHD: Th.S Trương Quang Trúc 40
Tính hệ số tỏa nhiệt đối lưu khi dịng khói chảy dọc theo chùm ống:
Khi làm nguội dịng khói:
Vận tốc khói trong pass 2 tính đƣợc:
Đƣờng kính tƣơng đƣơng :
Tra đồ thị hình 6.7/[5-77] theo đƣờng kính tƣơng đƣơng và
vận tốc khói .
Ta đƣợc .
- hệ số hiệu chỉnh chiều dài tƣơng đối.
Tra đồ thị hình 6.7/[5-78] theo tỷ số
. Ta đƣợc .
Clv - hệ số hiệu chỉnh cho các đặc tính vật lý của dịng khi thay đổi nhiệt độ và thành phần mơi chất.
Tra đồ thị hình 6.7/[5-78] theo tỷ lệ khí 3 ngun tử 0,178 và nhiệt
độ trung bình của khói Ta đƣợc Clv = 0,92. Vậy ta tính đƣợc hệ số tỏa nhiệt đối lƣu :
Hệ số tỏa nhiệt bức xạ :
Dịng khói tinh khiết (bức xạ 3 nguyên tử không bị bẩn bụi).
Trong đó:
- độ đen của vách các bề mặt hấp thụ bức xạ, đối với các bề mặt đốt của
nồi hơi, chọn
T - nhiệt độ tuyệt đối của dịng khói: