Việc sử dụng năng lượng nhiệt có thể phân thành hai nhóm chính: sử dụng năng lượng nhiệt nhằm phục vụ các nhu cầu sinh hoạt và sử dụng năng lượng nhiệt trong sản xuất, trong các xí nghiệ
Tổng quan về hệ thống cấp nhiệt
Cấp hơi cho các xưởng sản xuất với áp suất hơi yêu cầu là 5 kG/cm^2, nhằm đảm bảo quá trình sản xuất diễn ra liên tục và ổn định Các xưởng được phân bổ lưu lượng hơi theo từng mục đích: Cất nước 550 kg/h, Đông dược 1200 kg/h, Thuốc nước 250 kg/h, Nang mềm 250 kg/h, Cefalosporin 300 kg/h, Viên nang Beta Lactam 350 kg/h, Viên 450 kg/h và Nguyên liệu 550 kg/h Thiết kế hệ thống cấp hơi dựa trên lưu lượng từng xưởng giúp tối ưu hiệu suất sử dụng năng lượng và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
- Cấp hơi cho nhà bếp để nấu 1200 suất ăn, áp suất hơi yêu cầu là 4 kG/cm 2
- Sản xuất nước nóng ở nhiệt độ 70 o C cho khu nhà văn phòng, nhà ăn 11 m 3
- Hệ số nhân diện tích so với mặt bằng cơ sở là 1.1
Tổng quan về các thiết bị nguồn cấp nhiệt
Trong lịch sử nhân loại, lửa là một trong bốn phát minh quan trọng và đóng vai trò then chốt đối với các nguồn năng lượng nhiệt Khi nguồn nhiên liệu cạn kiệt, ô nhiễm môi trường gia tăng và nhu cầu tiêu thụ năng lượng không ngừng tăng, việc sử dụng năng lượng một cách hiệu quả và tiết kiệm trở nên cấp thiết Cấp nhiệt cho các tòa nhà từ các nguồn nhiên liệu sơ cấp như than, dầu hoặc từ các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và địa nhiệt được xem là một trong những phương pháp hiệu quả nhất hiện nay Việc sử dụng trực tiếp nguồn nhiên liệu sơ cấp giúp bỏ qua hiệu suất của các nhà máy nhiệt điện (khoảng 35-40%) và giảm thiểu lượng chất ô nhiễm thải ra trong quá trình sản xuất điện năng.
1.2.1 Sơ đồ cấp nhiệt sử dụng lò hơi loại nhỏ, vừa
Đây là sơ đồ dành cho các khu vực có nhu cầu nhiệt vừa phải, cung cấp nước nóng và mở rộng sang các ứng dụng nhiệt cao cấp như hơi giặt là, máy sấy và hệ thống xông hơi.
- Nhiên liệu thường dùng là than, dầu hoặc khí đốt.
- Dựa vào phương pháp gia nhiệt cho nước ta cso thể phân ra làm 2 loại sơ đồ trung tâm cấp nhiệt dùng lò hơi. a Trao đổi nhiệt hỗn hợp
Hình 1.1 Sơ đồ cấp nước nóng sử dụng thiết bị hỗn hợp.
LH- lò hơi; OGH - ống góp hơi; BNM – bể nước mềm; NN-nước nóng ra; NH- Nước hồi
Nguyên lý hoạt động của hệ thống lò hơi là nước lạnh được cấp vào bể nước nóng, nơi nhiên liệu được đốt cháy trong buồng đốt và khói nóng trao đổi nhiệt với nước đi qua giàn ống gia nhiệt trong buồng đốt để sinh hơi Hơi nước có nhiệt độ cao này được dẫn tới ống góp hơi và từ đây được trích ra để đi qua bể nước nóng; tại đây hơi bão hòa sẽ trao đổi nhiệt với nước lạnh trong bể trước khi hòa trộn với nước lạnh để nâng nhiệt độ của nước trong bể lên mức yêu cầu Nước cấp cho lò được lấy từ bể nước mềm Nước nóng sau đó được đưa đến các hộ tiêu thụ nhiệt và khi nhiệt độ ở đường ống cấp xuống dưới mức cho phép thì nước nóng quay trở lại bể nước nóng để được gia nhiệt bổ sung qua đường hồi.
- Ưu điểm: đơn giản, dễ quản lý và vận hành.
- Nhược điểm: Khống có lượng nước ngưng tuần hoàn về nên thiết bị xử lý nước cấp vào lò pải có công suất lơn nên giá thành tăng
- Áp dụng cho các tòa nhà khách sạn chung cư cao tầng có nhu cầu nhiệt vừa và nhỏ b: Trao đổi nhiệt bề mặt
Hình 1.2 Sơ đồ cấp nước nóng sử dụng thiết bị bề mặt kiểu dung tích
LH- lò hơi; OGH - ống góp hơi; BNM – bể nước mềm; NN-nước nóng ra; NH- Nước hồi
Nguyên lý hoạt động của hệ thống lò hơi trao đổi nhiệt hỗn hợp tương tự các thiết bị cùng loại, nhưng hơi sau khi trao đổi nhiệt với nước trong bể không hòa trộn tại chỗ mà được dẫn quay trở lại lò hơi để tiếp tục vòng tuần hoàn Bể nước mềm đảm nhận nhiệm vụ bổ sung sự thiếu hụt nước cấp cho lò, đảm bảo nguồn nước cấp được duy trì liên tục cho quá trình đun nóng và trao đổi nhiệt.
- Áp dụng cho những nơi sử dụng nước nóng nhiều và chế độ dùng nước nóng không đều đặn.
1.2.2 Một số nguồn cấp nhiệt khác.
- Cấp nhiệt sử dụng nguồn cấp nhiệt bên ngoài (Nhà máy nhiệt điện) Thường được sử dụng ở những nơi gần các nhà máy nhiệt điên hoặc các nguồn nhiệt trung tâm lớn.
- Cấp nhiệt sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời Thường được áp dụng ở những nơi có diện tích chiếu sáng lớn.
- Cấp nhiệt nhờ tận dụng nhiệt thải từ bình ngưng của hệ thống lạnh và điều hòa không khí.
- Cấp nhiệt bằng thiết bị gia nhiệt dùng điện trực tiếp.
Tổng quan về tính toán nguồn cấp nhiệt
1.3.1: Chọn thiết bị lò hơi: a Lượng hơi cấp cho các xưởng sản xuất.
- Tổng lượng hơi cấp cho 8 xưởng sản xuất, áp suất hơi yêu cầu 5kG/cm 2 là: D 1
- Công suất lò cần dùng là:
D 1 = 3900 (kg/h) : suất tiêu hao hơi của các phân xưởng sản xuất. r = 2109 (kJ/kg) : nhiệt ẩn hóa hơi của 1 kg nước ở áp suất 5 (kG/cm 2 ). b Lượng hơi cấp cho nhà bếp:
Theo tìm hiểu, mỗi suất ăn của một công nhân gồm 0,4 kg gạo, 0,3 kg đồ ăn và 0,1 kg canh Với 1200 suất ăn, tổng lượng gạo là 480 kg, tổng lượng đồ ăn là 360 kg và tổng lượng canh là 120 kg, cho ra tổng khối lượng 960 kg cho 1200 suất ăn.
Theo thực tế, để nấu 100 kg thức ăn, cần một nồi có công suất điện trung bình khoảng 14 kW Thời gian để nấu chín các loại món ăn này lần lượt là: cơm mất 30 phút, đồ ăn mất 20 phút và canh mất 10 phút Như vậy, với nồi công suất 14 kW, quá trình chế biến 100 kg thức ăn diễn ra theo thứ tự cơm 30 phút, đồ ăn 20 phút và canh 10 phút, giúp lên kế hoạch nấu nướng hiệu quả cho quy mô lớn.
Vậy lượng nhiệt cần sử dụng để nấu chín các loại thức ăn và lượng hơi cần dùng sẽ được tính như sau:
- Đồ ăn: Q đồ ăn = 3,6.14.20.60 = 60480 (kJ)
Trong đó : r = 2133 kJ/kg – nhiệt ẩn hóa hơi của 1 kg nước ở áp suất 4kG/cm 2 η=0,85: Hiệu suất của thiết bị gia nhiệt.
Vậy, suất tiêu hao hơi của nhà ăn là :
D 2 = D cơm + D canh + D đồ ăn = 133.5 + 100.07 + 33.36 = 267 (kg/h)
Công suất lò sinh hơi cung cấp cho nhà ăn là :
Q L2 = 158.13 (kW) c Lượng hơi phục vụ cho nhu cầu sản xuất nước nóng:
- Lượng nhiệt cần thiết truyền cho nước lạnh để 11000 lít nước từ t 1 = 15 o C trở thành nước nóng ở 75 o C:
- Suất tiêu hao hơi để phục vụ cho nhu cầu sản xuất nước nóng là:
Trong đó: r = 2109 kJ/kg – nhiệt ẩn hóa hơi của 1 kg nước ở áp suất 5 kG/cm 2 η=0,85: Hiệu suất của thiết bị gia nhiệt.
- Công suất lò sinh hơi cung cấp cho nhu cầu sản xuất nước nóng là : Q L1 3600.2299000
0,85 = 751.4 (kW) d Tổng suất tiêu hao hơi của cả nhà máy là:
D = D 1 + D 2 + D 3 = 3900 + 267 + 1282.5 = 5449.5 (kg/h) e Tổng công suất lò sinh hơi cung cấp cho nhà máy là:
Như vậy ta sẽ chọn 2 nồi hơi kiểu ống nước đặt đứng có công suất là 4000 kg/h và
Chọn phương án sử dụng nhiên liệu
Hiện nay nguồn nhiên liệu được sử dụng trong các trung tâm cấp nhiệt bằng lò hơi ở nước ta chủ yếu là than và dầu Việc lựa chọn nguồn nhiên liệu cho các trung tâm cấp nhiệt là một bài toán tối ưu kinh tế kỹ thuật, nhằm cân đối chi phí vận hành, hiệu suất lò và yêu cầu về môi trường Để chọn phương án cấp nhiệt phù hợp, người ta dựa trên các tiêu chí như giá nhiên liệu, mức tiêu thụ năng lượng, độ sẵn có của nguồn, hiệu suất hệ thống và tác động môi trường, từ đó đưa ra quyết định tối ưu cho từng dự án.
Chi phí đầu tư cho hệ thống cấp nhiệt dùng nhiên liệu dầu thường cao hơn so với hệ thống dùng nhiên liệu than, do giá thành thiết bị dầu cao hơn và yêu cầu công nghệ phức tạp hơn Vì vậy khi lên kế hoạch đầu tư, cần cân nhắc kỹ giữa chi phí thiết bị và tổng chi phí vận hành để chọn phương án nhiên liệu phù hợp với dự án.
Chi phí vận hành của hệ thống cấp nhiệt dùng than thấp hơn nhiều so với hệ thống cấp nhiệt dùng dầu, bởi than có sẵn và rẻ hơn ở nước ta Tuy nhiên, hệ thống cấp nhiệt bằng dầu có mức độ tự động hóa rất cao, nên vận hành đơn giản và an toàn hơn so với hệ thống dùng than.
Ta tính chi phí nhiên liệu để đun 100 kg nước từ 20 0 C lên 70 0 C. a: Các thông số:
- Nhiệt trị của dầu D.O: Q t lv = 40.000 kJ/kg
- Nhiệt trị của than: Q t lv = 22000 kJ/kg
- Tính toán gia nhiệt cho: 100 kg nước. b: Tính nhiệt và chi phí để sản xuất nước nóng: ¿ Lượng nhiệt cần cung cấp cho 100 kg nước để tăng từ 20 0 C đến 70 0 C:
Q (kJ): nhiệt lượng cần cung cấp cho nước.
G (kg): khối lượng nước cần gia nhiệt; G = 100 kg
C p (kJ/kgK): nhiệt dung riêng của nước; C p = 4,2 kJ/kgK t 2 ( 0 C): nhiệt độ nước nóng yêu cầu; t 2 = 70 0 C t1 ( 0 C): nhiệt độ nước lạnh ban đầu; t1 = 20 0 C
Thay số vào phương trình ta được :
Q = 100.4,2 (70 - 20) = 21000 (kJ) ¿ Chi phí khi gia nhiệt cho 100 kg nước bằng lò hơi đốt than.
- Lượng than cần thiết để gia nhiệt cho 100 kg nước là :
Q lv t η t h 22000.0,5 ηth= 0,5 - tích hiệu suất của lò hơi đốt than và thiết bị gia nhiệt cho nước (Đối với than [0,3-0,6] lấy trung bình Đối với TBTDN lấy 0,9)
- Vậy giá thành của việc gia nhiệt cho 100 kg nước bằng lò hơi đốt than là : T 1 1,9.3600 = 6840 (đ/100 kg nước)
Trong đó: giá thành của than trên thị trường hiện nay là 3600 vnđ/kg ¿ Chi phí khi gia nhiệt cho 100 kg nước bằng lò hơi đốt dầu :
- Lượng dầu cần thiết để gia nhiệt cho 100 kg nước là :
Q lv t ηd 40000.0,8 η d = 0,8 - tích hiệu suất của lò hơi đốt dầu và thiết bị gia nhiệt cho nước.
- Vậy chi phí khi gia nhiệt cho 100 kg nước bằng lò hơi đốt dầu là: T 2 0,825.15600 = 12870 (VNĐ/100 kg nước)
Trong đó : giá thành của dầu D.O trên thị trường hiện nay là 15900 vnđ/lít
- Từ tính toán ở trên ta thấy : Để đun nóng 100 kg nước từ 20 0 C đến 70 0 C thì chi phí là :
+ Khi gia nhiệt bằng lò hơi đốt than : 6840 (đ/100 kg)
+ Khi gia nhiệt bằng lò hơi đốt dầu : 12870 (đ/100 kg)
Do yêu cầu về môi trường và tính tiện lợi, chúng tôi chọn hệ thống lò hơi đốt dầu Lò hơi đốt dầu có chi phí nhân công thấp hơn, khả năng tự động hoá cao và khói thải ra môi trường sạch hơn so với các hệ thống khác, giúp tối ưu vận hành và tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp Với hiệu suất ổn định và vận hành tự động, lò hơi đốt dầu là giải pháp thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả sản xuất.
XÂY DỰNG VÀ TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO SƠ ĐỒ NHIỆT NGUYÊN LÝ
Cấp hơi
Hơi bão hòa từ hai lò hơi cấp được đưa vào ống góp phân phối hơi bằng ống thép đen, sau đó được phân bổ qua một đường cấp hơi chính chia làm ba nhánh cấp hơi nhỏ Nhánh thứ nhất cấp hơi cho thiết bị trao đổi nhiệt trên mái để cung cấp nước nóng, nhánh thứ hai cấp hơi cho phòng giặt là, nhánh thứ ba cấp hơi cho thiết bị trao đổi nhiệt ở bể bơi nhằm gia nhiệt cho bể bơi.
Gia nhiệt cho nước
Nguồn nước lạnh từ nguồn cấp bổ sung được đưa vào bể nước hồi, nơi nước lạnh được hòa trộn với nước hồi có nhiệt độ cao hơn và được gia nhiệt nhẹ trước khi tiếp tục trong chu trình Khi lò bắt đầu vận hành và nguồn nước dự trữ cùng nước hồi chưa có, nhiệt độ ở bể nước hồi sẽ bằng nhiệt độ của nước lạnh; sau đó nước được dẫn qua bình trao đổi nhiệt kiểu ống-vỏ, tại đây nước nhận nhiệt từ hơi nước để chuyển thành nước có nhiệt độ cao hơn và sẵn sàng cho chu trình tiếp theo.
70 o C, nước này sẽ được dẫn đi cung cấp cho khu nhà văn phòng và nhà ăn.
Hệ thống đường nước hồi
Quá trình gia nhiệt nước diễn ra trong bình trao đổi nhiệt bề mặt (bình ngưng ống vỏ); nước ngưng sau đó được hồi về hệ thống cùng với nước bổ sung đã qua xử lý ở bể nước mềm cấp cho lò hơi Việc bổ sung nước mềm cho lò hơi là cần thiết do nước ngưng trả về hệ thống có thể bị mất vì rò rỉ hoặc do hơi thoát khi xả khí không ngưng trong hệ thống đường ống hơi.
Do tổn thất nhiệt, nước để lâu trong hệ thống sẽ mất nhiệt và nhiệt độ nước nóng giảm dần Khi nhiệt độ nước nóng xuống thấp còn chưa đáp ứng nhu cầu sinh hoạt, hệ thống phải hồi về bể hồi đặt ở vị trí trên cao Việc hồi về bể hồi riêng cho nước nóng thay vì hồi về bể nước nóng tổng nhằm duy trì nhiệt độ nước nóng ở bể tổng ở mức yêu cầu cấp cho các phòng, tránh bị giảm khi nước hồi trộn vào Ở cuối mỗi nhánh chính, tại tầng kỹ thuật, ta bố trí đường hồi và kích hoạt khi nhiệt độ t < ngưỡng cho phép.
Để thực hiện hồi nước nóng, sử dụng một cụm van từ: lấy tín hiệu nhiệt độ nước nóng ở cuối mỗi đường ống cấp nước nóng chính và đưa tín hiệu về điều khiển trung tâm; khi nhiệt độ nước nóng trong ống nhỏ hơn nhiệt độ chỉ định, van từ mở cho nước hồi về Còn một lượng nước nóng cung cấp cho điểm sử dụng ở tầng dưới, chúng ta có thể xả bỏ khi nhiệt độ quá thấp vì nếu lắp đặt đường hồi thì sẽ không kinh tế vì đường ống hồi quá dài, trong khi đó lượng hồi về lại rất nhỏ.
Hệ thống tự động
Lò hơi được trang bị hoàn toàn tự động:
- Tự động hóa quá trình đốt.
- Khống chế nhiệt độ vách lò.
- Khống chế áp suất trong lò hơi, van an toàn.
Bộ khống chế nhiệt độ nước nóng trong hệ thống đóng vai trò điều chỉnh an toàn và hiệu quả bằng cách điều khiển van từ cấp hơi và hoạt động của lò hơi Khi nhiệt độ nước vượt quá 80°C, van từ cấp hơi đóng, ngừng cấp hơi gia nhiệt và lò hơi tự động ngừng đốt để bảo vệ hệ thống Ngược lại, khi nhiệt độ nước giảm xuống dưới 80°C, van từ cấp hơi mở cấp hơi gia nhiệt để gia nhiệt nước và lò hơi tự động đốt trở lại, duy trì nhiệt độ nước ở mức mong muốn.
Khống chế mức nước trong bể nước nóng: hệ thống tự động cấp nước hoạt động khi mực nước xuống dưới mức cho phép và tự động ngừng cấp nước khi mực nước lên tới ngưỡng cho phép Cụ thể, khi mực nước giảm thấp hơn ngưỡng cho phép, bơm cấp nước sẽ bật để bù nước cho bể nước nóng; khi mực nước vượt quá ngưỡng cho phép, bơm cấp nước sẽ dừng cấp nước nhằm duy trì sự cân bằng và an toàn cho thiết bị Quy trình này giúp ổn định mức nước, bảo vệ bơm và các thiết bị liên quan, đồng thời tối ưu hiệu suất vận hành của hệ thống bể nước nóng.
Các đường ống nhánh
Các đường ống nhánh dẫn hơi tới các thiết bị trao đổi nhiệt và đường ống cấp nước nóng được bố trí đi trong hộp kỹ thuật (ống có bảo ôn cách nhiệt) hoặc đi ngầm trong tường với đoạn ngắn tới từng vòi nước nóng, đảm bảo tính thẩm mỹ và thuận lợi cho vận hành hệ thống Ưu điểm của phương án này gồm giảm thất thoát nhiệt và tiếng ồn, tăng hiệu quả truyền nhiệt, tiết kiệm không gian lắp đặt, dễ bảo trì và an toàn khi vận hành.
- Lò không phải hoạt động liên tục và luôn hoạt động ở phụ tải kinh tế nên hiệu suất lò cao.
Dung tích két nước nóng và công suất lò nhỏ cho phép lò bù nhiệt hoạt động liên tục, cung cấp nước cho bình trao đổi nhiệt và cho thiết bị trao đổi nhiệt khi có phụ tải, từ đó đảm bảo sự ổn định của hệ thống và tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt.
Chúng tôi sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu liên tục để đáp ứng nhanh nhu cầu nước nóng và hơi cho khách sạn, đảm bảo nguồn cấp nhiệt ổn định cho phòng tắm, bếp và các khu vực tiện ích Hệ thống trao đổi nhiệt liên tục rút ngắn thời gian cấp nước nóng, tối ưu hiệu suất vận hành và nâng cao trải nghiệm lưu trú của khách hàng.
Hệ thống này có khả năng khống chế nhiệt độ nước nóng một cách chính xác và ổn định, đồng thời tích hợp mức độ tự động hóa cao để vận hành an toàn và tiết kiệm Nhờ đó, hệ thống có thể đáp ứng đầy đủ và nhanh chóng nhu cầu nước nóng và hơi cho toàn bộ khách sạn, mang lại tiện nghi cho khách lưu trú và tối ưu hóa chi phí vận hành cho khách sạn.
Hệ số an toàn của hệ thống cao.
- Quản lí và vận hành tương đối phức tạp.
- Chi phí đầu tư khá cao do lắp đặt bình gia nhiệt, các thiết bị tự động.
TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH
Tính chọn thiết bị trao đổi nhiệt
Trong sơ đồ nhiệt, hơi là môi chất truyền nhiệt và nước lạnh là môi chất nhận nhiệt Do đó, chọn thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bình ngưng ống-vỏ (shell-and-tube condenser) Ta tiến hành tính toán để xác định trường hợp một bình duy nhất có thể cung cấp đủ nước nóng cho nhu cầu của khách sạn trong thời gian cao điểm.
Bình gia nhiệt phải làm việc ở điều kiện xấu nhất, tức là vào giờ cao điểm hoặc khi bắt đầu đốt lò, khi lượng nước hồi được coi như bằng không, do đó nhiệt độ đầu vào của nước lạnh phải được gia nhiệt lên mức tối thiểu mà hệ thống yêu cầu, đồng nghĩa với yêu cầu gia nhiệt lớn Ngược lại, khi có nước hồi và không ở giờ cao điểm, chỉ cần giảm công suất lò hoặc tắt một lò để vận hành hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.
Nước lạnh cần gia nhiệt có nhiệt độ đầu vào t = 20 0 C và nhiệt độ đầu ra là
70 0 C đảm bảo nhiệt độ yêu cầu dùng nhiệt.
Thiết bị trao đổi nhiệt ống-vỏ kiểu TĐN có nước lạnh đi trong ống với lưu lượng 3,06 kg/s ở 20 °C và ra 70 °C; hơi nước ngưng phía vỏ ở áp suất 5 kgf/cm², condensate đi bên ngoài ống không có cánh và đường kính d2/d1 = 19/16 mm; nước đi trong ống thép cacbon có hệ số dẫn nhiệt 60 W/mK; chùm ống bố trí vuông góc với tỉ số bước ống PR = 1,25; khoảng cách tấm chắn B = 0,6D và phần bị cắt chiếm 25%; trở kháng bám bẩn Rf = 0,000176 m²K/W; tốc độ lớn nhất của dòng nước không quá 1,5 m/s để tránh ăn mòn; chiều dài ống L = 4 m; hiệu suất tổn thất nhiệt đạt 98%.
- Công suất nhiệt yêu cầu: Do có tính đến tổn thất nhiệt nên ta có: Q= η Q 1 = Q 2 = G 2
- Lưu lượng hơi ngưng đi vào thiết bị là:
- Độ chênh nhiệt độ trung bình: Δtt = Δtt max
104,86 o C ln Δtt max ln t k −t 2 ' ln
- Tính chọn sơ bộ thiết bị TĐN, theo bảng 5.2 chọn hệ số TĐN theo TEMA: Hệ số TĐN đối lưu phía vỏ: α 1 = 10000
Hệ số TĐN đối lưu phía ống: α 2 = 6000
- Diện tích trao đổi nhiệt yêu cầu:
- Đường kính trong của vỏ thiết bị:
L = 4 (m): Chiều dài ống đã chọn.
PR: Tỉ số bước ống, PR = s/d 2
CL: hằng số sơ đồ bố trí ống CL 1 đối với sơ đồ 90o và 45o CL 0,87 đối với sơ đồ 30 o và 60 o
CTP: hằng số tính toán ống × ( 2,85 1,25 2 0,019 ) 2 4
- Tổng số ống của thiết bị:
- Ta có kích thước sơ bộ của thiết bị trao đổi nhiệt: Đường kính vỏ: D = 0,098 (m) Đường kính ống: d 2 /d 1 = 19/16 (mm)
Bố trí ống hình vuông.
- Chọn thiết bị theo kiểu TEMA, dựa vào D và N đã tính chọn sơ bộ ta có: Đường kính vỏ: D = 0,2 (m) Đường kính ống: d 2 /d 1 = 19/16 (mm)
Bố trí ống hình vuông.
- Diện tích TĐN thực tế là:
Tính lại α 1 và α 2 theo thiết bị thực tế:
- Áp dụng công thức tính hệ số tỏa nhiệt phía vỏ khi hơi ngưng ngoài chùm ống nằm ngang: r g ρ λ 3 −1 α 1 =1,2 α N ε i = 1,2 0,782 4 2 6
Trong đó: Tra thông số vật lý của hơi tại t = 151,84 o C
Nhiệt ẩn hóa hơi: r = 2109 10 3 (J/kG)
Hệ số dẫn nhiệt: λ = 0,684 W/m 2 K. Độ nhớt: ν = 0,203 10-6 (m2/s) Đường kính ngoài của ống: d 1 = 19 (mm) = 0,0019 (m)
Nhiệt độ của hơi: t k = 151,84 o CNhiệt độ vách ống: t w = 100 o C
*Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu phía ống α 2 :
Tra thông số vật lý của nước ở 45 o C.
Nhiệt dung riêng đẳng áp: c p = 4174 (J/kgK)
Hệ số dẫn nhiệt: λ = 0,642 W/m 2 K. Độ nhớt động lực học: μ = 601,35 10 -6 (Ns/m 2 ) Độ nhớt động học: ν = 0,55 10 -6 (Ns/m 2 )
- Tốc độ nước chảy trong ống: ω 2 =
1,75 ) 0,25 169,85 - Hệ số TĐN phía ống: α 2 = Nu f 2 λ = 169,85 0,642 = 6815 (W/ m 2 K ¿ d 0,016
- Hệ số truyền nhiệt thực tế:
- Lượng nhiệt trao đổi thực tế:
Qth = kth Fth Δtt = 2281 104,86 5,72 = 1368 (kW)
Ta có: Q th > Q, vậy thiết bị trên thỏa mãn yêu cầu.
Chọn hệ thống xử lý nước cho lò hơi ống nước quyết định mức độ tin cậy vận hành và chi phí vận hành Chất lượng nước cấp ảnh hưởng trực tiếp đến vận hành an toàn và hiệu quả kinh tế của lò, khi giảm ăn mòn, ngưng cặn và tối ưu trao đổi nhiệt Đối với lò hơi ống nước, các thông số như TDS, kiềm, oxy và các tạp chất hòa tan cần được kiểm soát để ngăn ngừa ăn mòn ống và hình thành cặn Việc lựa chọn và tích hợp hệ thống xử lý nước phù hợp giúp duy trì nước cấp đạt chuẩn, tối ưu hóa quá trình xả khan và bảo vệ thiết bị, từ đó đảm bảo vận hành ổn định và tiết kiệm chi phí lâu dài.
Mục đích của xử lý nước là ngăn ngừa cáu bám trên tất cả các bề mặt đốt, duy trì độ sạch của hơi ở mức cần thiết và ngăn ngừa ăn mòn trong đường nước và đường hơi Nhờ xử lý nước đúng chuẩn, hệ thống vận hành ổn định hơn, hơi sạch и bền, giảm chi phí bảo trì và kéo dài tuổi thọ thiết bị.
Nguyên lý làm việc của hệ thống trao đổi ion như sau: nước được đưa qua một lớp vật chất có khả năng nhả vào nước các cation và đồng thời hấp thụ các cation Ca2+ và Mg2+ có trong nước Quá trình này giúp giảm độ cứng của nước bằng cách thay thế Ca2+ và Mg2+ trong nước bằng các cation có sẵn trên vật liệu trao đổi ion (thường Na+) Khi lớp vật chất đã bão hòa Ca2+ và Mg2+, hệ thống cần được tái sinh bằng dung dịch thích hợp để khôi phục khả năng trao đổi ion, từ đó duy trì hiệu suất loại bỏ cặn và bảo vệ thiết bị, đường ống cũng như các hệ thống gia dụng và công nghiệp.
Đối với nhà máy có lò hơi công suất thấp và thông số hơi ở mức thấp, để tối ưu chi phí vận hành và đảm bảo hiệu quả kinh tế, nên chọn hệ thống xử lý nước bằng phương pháp trao đổi cation Phương pháp này giúp loại bỏ tạp chất và ion cứng trong nước, cải thiện chất lượng nước đầu vào cho lò hơi, tăng hiệu suất trao đổi nhiệt và kéo dài tuổi thọ thiết bị, từ đó giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành.
Na + Khi trao đổi cation Na + toàn bộ độ cứng được khử, nhưng độ kiềm và các thành phần muối không thay đổi.
- Các phản ứng xảy ra khi xử lí nước:
Ca(HCO 3 ) 2 + 2NaR = CaR 2 + 2NaHCO 3 Mg(HCO 3 ) 2 + 2NaR = MgR 2 + 2NaHCO 3 CaCl 2 + 2NaR = CaR 2 + 2NaCl
MgCl 2 + 2NaR = MgR 2 + 2NaCl CaSO 4 + 2NaR = CaR 2 +Na 2 SO 4 MgSO 4 + 2NaR = MgR 2 + Na 2 SO 4
Trong quá trình vận hành lâu dài, các cationit dần kiệt cation và chất lượng nước xử lý giảm Để hệ thống tiếp tục hoạt động, việc hoàn nguyên cationit là bắt buộc Nguyên lý hoàn nguyên là đưa dung dịch muối NaCl có nồng độ từ 6%–8% đi qua cationit đã bị suy giảm khả năng trao đổi ion Trong thực tế, lượng NaCl dùng cho quá trình hoàn nguyên thường ở mức từ 2,5 đến 3,5 lần so với lượng NaCl lý thuyết.
- Các phản ứng hoàn nguyên xảy ra như sau:
CaR 2 + 2NaCl = 2NaR + CaCl 2 MgR 2 + 2NaCl = 2NaR + MgC 2
Sơ đồ hệ thống xử lý nước dùng bình cation natri
1-bể dung dịch muối; 2- bình lọc dung dịch muối
3-thùng chứa dung dịch muối đã lọc; 4- bình cationit natri
5- Bơm dung dịch muối; 6- bơm nước qua bình cationit natri
7- đường nước để rửa bình lọc hay để chuẩn độ dung dịch muối
8- đường tái tuần hoàn của bơm muối
9- đường dung dịch muối hoàn nguyên
10- đường nước chưa xử lý; 11- đường nước mềm.
12-đường nước rửa ngược; 13- xả.
Tính chọn bơm cấp nước
Để bảo đảm lò hơi hoạt động đầy đủ và liên tục, ta sử dụng hai bơm ly tâm cho mỗi lò hơi Mỗi bơm được vận hành ở 100% công suất yêu cầu, trong đó một bơm đang hoạt động và bơm còn lại ở trạng thái dự phòng để sẵn sàng thay thế khi cần Cơ cấu hai bơm này giúp duy trì lưu lượng và áp suất ổn định, giảm thiểu nguy cơ gián đoạn quá trình đốt khi một bơm gặp sự cố.
- Mỗi bơm có thông số tối thiểu như sau:
= 1,25 là hệ số dự phòng.
D - lưu lượng hơi của mỗi lò D = 5500 (kg/h)
Cột áp làm việc của bơm:
H = 1,2 P lv = 1,2 5 = 6 (atm) = 6,08 (bar) 1,2 - hệ số dự trữ
P lv - áp suất làm việc của lò hơi; P lv = 5 (atm)
Công suất điện của động cơ:
Trong đó: Q - năng suất của bơm, m 3 /s
H - cột áp của bơm, bar.
TÍNH TOÁN MẠNG NHIỆT
Tính toán thủy lực ống dẫn cấp nước nóng 4.2 Tính toán thủy lực ống dẫn cấp nước ngưng
Sử dụng ống thép tiêu chuẩn chịu nhiệt CT3 theo tiêu chuẩn Liên Xô; ống dẫn hơi nước có K tđ = 0,2 mm, ống dẫn nước nóng có K tđ = 0,5 mm, và ống dẫn nước ngưng có K tđ = 1 mm Ống cái chính là ống dài nhất.
Bảng 4.1 vận tốc tới hạn nước trong ống
Áp suất dư theo chuẩn tại các hộ tiêu thụ được duy trì dưới 1 bar, nên bố trí van giảm áp dọc theo các trục kỹ thuật để điều chỉnh áp suất tại đầu ra và bảo đảm phân phối nước ổn định Việc lắp đặt van giảm áp giúp hạn chế áp lực trên mạng lưới cấp nước, giảm thiểu rủi ro cho thiết bị và tiết kiệm năng lượng Đồng thời, áp lực thủy tĩnh trên đường ống không vượt quá giới hạn H = 60 mH2O, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành hệ thống cấp nước.
Khối lượng riêng của nước nóng trong hệ thống mạng nhiệt coi như không đổi và lấy ở nhiệt độ 75 o C ρ (kg/m 3 ) ɣ (N/m 3) K tđ (mm) ν (m 2 /s)
4.1.1 Tính thủy lực cho đường ống ngang Đoạn A-C
Chia đường ống thành 3 phân đoạn ống chiều dài như sau l 1 (m) l 2 (m) l 3 (m)
- phân đoạn 1 đường ống ngang A-C
Theo yêu cầu của nhà máy, lượng nước nóng ở 75°C cho mỗi phòng trong giờ cao điểm là 50 lít Tuy nhiên thực tế người dùng chỉ lấy nước nóng cho bồn tắm trong khoảng 10 phút trước khi tắm, nên lượng nước yêu cầu trong giờ cao điểm phải được đáp ứng trong khoảng thời gian 10 phút Do đó lưu lượng nước nóng cho mỗi phòng trong 1 phút được tính bằng cách lấy 50 lít chia cho 10 phút, tức 5 lít/phút (lưu lượng nước nóng mỗi phút).
G 75 = 5 (l/phút) Mỗi trục kỹ thuật có 20 phòng => V trục = 5.20 = 100 (l/phút)= 1,667.10 -3 (m 3 /s)
- Lưu lượng nước chảy qua phân đoạn 1 (l 1 ) : V= 3.V trục = 0,005 (m 3 /s)
Chọn sơ bộ vận tốc nước chảy ω kt = 0,46 m/s Áp suất ở đầu phân đoạn 1 P 1 ’ = P o +
H.g.ρ P o = 10 5 Pa áp suất khí quyển
H = 2m chiều cao cột nước trong bể chứa chọn sơ bộ g = 9,81 m 2 /s gia tốc trọng trường ρ = 974,8 kg/m 3 khống lượng riêng nước nóng ở 75 0 C
2 2 Đường kính ống dẫn nước nóng ứng với tốc độ lớn nhất: d = √
Xác định lại vận tốc nước đi trong ống: ω= 4 V π d 2 = (m/s)
Tiêu chuẩn Re: Re = ω d ν Nhận thấy Re ¿ 568. d
= do đó λ được tính theo công thức sau: k t đ λ = 0,11.( k t đ ¿¿ 0,25 = d
Suất giáng áp đường dài:
Phân đoạn 1 (1 khủy cong r - ) Ltd = 2.51 m
Phân đoạn 2 đột thu Ltđ = 1,02 m
Phân đoạn 3 đột thu Ltđ = 0,66 m
Chiều dài dẫn lqd được xác định bằng Lqd = L + Ltđ, tức là tổng giáng áp δp = Rdd.Lqp = p Giả sử độ cao giữa hai điểm bằng nhau và vận tốc dòng chảy không đổi, áp suất cuối đường ống được tính bằng P'' = P' − δp = Rdd.Lqp = p.
Kết quả được tổng hợp vào bảng sau:
Bảng 4.2 Kết quả tính thủy lực của ống nước nóng ngang A-C
Số Lưu Đường kính Chiều dài ống Tốc độ Tổn thất Áp suất Áp suất đầu p’(Pa) đoạn lượng V ống nước ω áp suất cuối
(m 3 /s) (m/s) (Pa) p”(Pa) d in d out L Ltđ Ltđ
Bảng 4.3 Kết quả tính thủy lực của ống nước nóng ngang D-E
Số đoạn Lưu Đường kính ống Chiều dài ống Tốc độ Tổn thất Áp suất Áp suất lượng nước ω áp suất đầu cuối p’(Pa)
V din d out L Ltđ Ltđ (m/s) (Pa) p”(Pa)
Kết quả tính toán cho thấy với đường kính ống đã chọn, vận tốc nước chảy trong ống nằm ở mức cho phép Áp suất tại các điểm nằm ngang của hệ thống luôn lớn hơn áp suất bão hòa của nước ở 70°C, do đó đảm bảo không có hiện tượng sôi trong ống và vận hành an toàn.
- 4.2 Tính toán thủy lực ống dẫn nước ngưng.
- lượng nhiệt trao đổi qua thiết bị trao đổi nhiệt trên mái Q 2 = 175,29 (kW)
- Lưu lượng hơi qua thiết bị trao đổi nhiệt trên mái G = Q 2 /r (kg/s)
- Lưu lượng nước ngưng qua thiết bị trao đổi nhiệt trên mái V=G/ρ (m 3 /s)
- Chiều dài tương đương ( n khủy cong )
- Áp suất đầu vào P 1 = 3 bar
Tính toán tương tự như ống cấp nước nóng ta có kết quả tính toán thủy lực như sau:
Bảng 4.9 Kết quả tính thủy lực của đường ống nước ngưng
Số Lưu Đường kính Chiều dài ống Tốc độ Tổn thất Áp suất Áp suất đoạn lượng V ống nước ω áp suất đầu cuối p’(Pa)
(m 3 /s) (m/s) (Pa) p”(Pa) d in d out L Ltđ Ltđ
1 : đường ống nước ngưng từ trên mái
2 : đường ống nước ngưng từ bể bơi
4.3 Tính toán thủy lực ống dẫn cấp đường hơi
Trong hệ thống ống dẫn, hơi nước ban đầu được xem là hơi bão hòa khô, nhưng trong quá trình chuyển động nó có thể chuyển thành hơi bão hòa ẩm, khiến các tính toán trở nên phức tạp Để đơn giản, ta giả sử hơi chuyển động trong ống vẫn là hơi bão hòa khô Các tham số thiết kế được biểu diễn bằng đường kính quy ước Dq và trạng thái hơi—quá nhiệt hoặc bão hòa—với giới hạn đến 200 mm và vận tốc tương ứng là 50 m/s và 35 m/s.
Tính toán thủy lực cho đường ống cấp hơi:
-Áp suất làm việc của lò hơi: P LH = 3,2 bar
-Nhiệt độ hơi ra khỏi lò: : t 1 = 135,75 o C
-Khối lượng riêng của hơi khi ra khỏi lò hơi: ρ 1= 1,766 kg/ m 3
-Độ nhám tương đương của ống dẫn hơi : k t đ = 0,2 mm
-Lưu lượng hơi chuyển động trong ống: G = 323,5 kghơi/h = 0,0898 kghơi/s -Tốc độ lớn nhất của ống dẫn hơi trong ống dẫn hơi là : ω max = 35 m/s
-Chiều dài ống dẫn hơi (tính sơ bộ): l = 50 m
-Chênh lệch độ cao điểm đầu và điểm cuối: H = Z 2 - Z 1 = 36 m
2 ρ 2 ρ Áp suất hơi ở đầu ra của lò hơi :P1 = Plh = 320000 Pa
Giả thiết áp suất hơi cuối của ống dẫn hơi : P 2 = 300000 Pa
Các thông số ứng với áp suất hơi giả thuyết là :
+ Nhiệt độ hơi bão hòa t 2 = 133,5 o C
Khối lượng riêng trung bình : ρ tb = ρ 1 + ρ 2 = 1,709 kg/m 3
Tra bảng ta có độ nhớt động học của hơi : ν = 8,164.10 -6 m 2 /s
-Đường kính ống dẫn hơi ứng với tốc độ lớn nhất: d = √ π ω ρ 4.G = 0,0437 m
Theo bảng chọn đường kính ống ta chọn d = 51 mm, dày 3mm,đường kính ngoài
Xác định lại tốc độ hơi trung bình trong ống dẫn hơi: ω = 4.G π d 2 ρ tb = 3,14.0,057 2 3,121 4.0,2778 = 25,7m/s
= 144840 do đó λ được tính theo công thức sau: k t đ λ = 0,11.( k t đ ¿¿ 0,25 = 0,0275 d
Suất giáng áp đường dài :
-Chiều dài tương đương của các trở lực cục bộ (4 khủy cong r = 2d):
Tra thông số,ta có : l tđ = 4.1,88 = 7,52m
-Chiều dài quy dẫn : l qd = l + l tđ = 50 + 7,52 = 57,52 m -Giáng áp tổng trên đường ống dẫn hơi: δp = Rdd.Lqp =p = R dd l qd = 17587 Pa Áp suất ở cuối ống dẫn hơi: p 2 = p 1 – δp = Rdd.Lqp =p – (Z 1 – Z 2 )gρ = 301826 Pa
-Sai số của phép tính: Δ 301826−300000 = 0,6 %
300000Như vậy ta chấp nhận kết quả áp suất cuối 300000 Pa
Các kinh nghiệm thực tế trong tính toán và thiết kế vận hành mạng nhiệt, kết hợp với tài liệu tham khảo đúc kết từ thực nghiệm, cho thấy quá trình thiết kế thiết bị và đường ống cấp nước nóng được trình bày trong đề tài có tính hợp lý cao và khả năng ứng dụng thực tế Trong quá trình tính toán, hệ thống được phân tích ở điều kiện làm việc với phụ tải lớn nhất, đảm bảo đáp ứng đầy đủ nhu cầu về nhiệt của nhà máy dệt may tại mọi thời điểm.
Việc phân tích và lựa chọn lò hơi cùng các thiết bị nhiệt thiết yếu được trình bày trong đề tài một cách hợp lý, làm tăng tính thực tiễn và sức ứng dụng của nghiên cứu Các giải pháp được đề xuất giúp quá trình lắp đặt, sửa chữa và thay thế thiết bị nhiệt diễn ra thuận tiện và hiệu quả Đồng thời, chúng phù hợp với xu hướng phát triển của thời đại, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về hiệu suất, độ tin cậy và tối ưu chi phí.
Việc bố trí hợp lý các thiết bị và đường ống cấp dẫn trong hệ thống cấp nhiệt của nhà máy đảm bảo đáp ứng đầy đủ nhu cầu nhiệt cho sản xuất, đồng thời tối ưu hóa hiệu quả hoạt động và an toàn cho toàn bộ hệ thống Cấu trúc bố trí này giúp dễ dàng sửa chữa, bảo dưỡng và tiếp cận từng thiết bị, giảm thời gian dừng máy và tăng tuổi thọ của hệ thống cấp nhiệt.
Trong quá trình vận hành thực tế tại nhà máy dệt may, nhu cầu nhiệt của các thiết bị phụ tải có thể thay đổi theo từng điều kiện vận hành Nhờ sự điều chỉnh của hệ thống van và khóa từ, lưu lượng nước nóng và lượng hơi cấp cho hệ thống và các thiết bị được điều chỉnh linh hoạt Tùy theo yêu cầu cụ thể, lượng hơi cấp từ lò có thể điều chỉnh tương ứng để bảo đảm cấp nhiệt đúng mục tiêu và tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng Nhờ đó, vận hành hệ thống cấp nước nóng và cấp hơi trở nên kinh tế, giúp giảm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu quả vận hành của nhà máy dệt may.
Trong quá trình thực hiện dự án, sẽ không tránh khỏi những sai sót và hạn chế có thể xảy ra Em mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô và bạn bè đồng nghiệp để bản đồ án của em được hoàn thiện, nâng cao chất lượng và đạt yêu cầu.
Hà Nội, ngày 13 tháng 08 năm 2022
Sinh viên thực hiệnNguyễn Văn Tiến
1.PGS.TS.Phạm Lê Dần TS.Nguyễn Công Hân,Công nghệ lò hơi và mạng nhiệt-Nhà xuất bản khoa học kỹ thật,Hà Nội – 2008
2.PGS.TS.Bùi Hải – TS.Dương Đức Hồng – TS.Hà Mạnh Thư,Thiết bị trao đổi nhiệt -Nhà xuất bản khoa học kỹ thật,Hà Nội – 2001
3.Th.S.Trần Huy Cấp, Quy định thực hiện học phần đồ án nhiệt lạnh 1, Mang nhiet
Atlantic 21.5.05, Thuyet minh KS cong doan, thuyet_minh_cong_nghe_cap_nhiet.
4.Phạm Văn Trí, Dương Đức Hồng, Nguyễn Công Cẩn Lò công nghiệp. Đại học Bách khoa Hà Nội Hà Nội 1996.