HỆ THỐNG TÀU THỦY ( Thạc sĩ. Nguyễn Văn Võ ) - CHƯƠNG 7 pdf

TÍNH TOÁN TỔN THẤT NHIỆT CỦA CÁC PHÒNG ĐƯỢC SƯỞI Khi tính toán hệ thống sưởi bất kỳ, phải xác định tổn thất nhiệt qua các vách ngăn của phòng được sưởi, mà vì mục đích giảm tổn thất nhiệ

Chương 7

CÁC HỆ THỐNG SƯỞI

7.1 CHỨC NĂNG VÀ YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI CÁC HỆ THỐNG SƯỞI

Các hệ thống sưởi phục vụ cho việc làm ấm các phòng ở, phòng phục vụ và các phòng làm việc của các tàu trong mùa lạnh Sưởi có các loại sưởi bằng nước, hơi nước, không khí và điện

Đối với các hệ thống sưởi, có các yêu cầu cơ bản sau:

Ở hệ thống sưởi tập trung, cần phải xét đến khả năng điều chỉnh nhiệt độ ở trong từng phòng riêng biệt

Thiết bị sưởi phải có cấu tạo như thế nào đó để có thể làm nó sạch khỏi bụi và các thứ bẩn khác

Các thiết bị sưởi cần phải được đặt theo nguyên tắc, ở mạn hoặc là thành ngoài của các kiến trúc thượng tầng Không cho phép đặt trực tiếp ở đầu giường, trên và dưới các giường và trên các đi-văng

7.2 TÍNH TOÁN TỔN THẤT NHIỆT CỦA CÁC PHÒNG ĐƯỢC SƯỞI

Khi tính toán hệ thống sưởi bất kỳ, phải xác định tổn thất nhiệt qua các vách ngăn của phòng được sưởi, mà vì mục đích giảm tổn thất nhiệt, chúng được người ta bọc cách nhiệt Lượng nhiệt tổn thất qua các vách phẳng được tính theo công thức sau:

) t t (

F k

QCT  B  H , kcal/g (7.1)

ở đây: k - hệ số truyền nhiệt qua vách, kcal/m 2 giờ 0 C

F - diện tích bề mặt vách, m2

tB - nhiệt độ không khí trong buồng, 0 C

Hệ số truyền nhiệt cho vách phẳng đồng nhất được biểu diễn qua quan hệ:

H B

1 1

1 k













 (7.2)

ở đây: B - hệ số tỏa nhiệt từ không khí buồng tới bề mặt trong của vách,

kcal/m 2 giờ 0 C

H - hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt ngoài vách tới môi trường xung quanh,

kcal/m 2 giờ 0 C

 - chiều dày vách, m

 - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu vách, kcal/m.giờ 0 C

Nếu vách phẳng có n lớp chiều dày khác nhau 1, 2, ,n từ các vật liệu khác nhau có hệ số dẫn nhiệt tương ứng 1, 2, , n, thì hệ số truyền nhiệt qua vách này sẽ bằng:









i B

1 1

1

k … (7.3)

Khi ở trong vách phẳng có lớp đệm khí thì công thức (7.3) nhận được dạng:









T i i B

1 R 1

1

k (7.4)

ở đây: RT - nhiệt trở của lớp đệm không khí, m 2 giờ 0 C/ kcal

Giá trị hệ số tỏa nhiệt B và H phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ chuyển động tương đối so với vách

Đối với bề mặt, bao bọc bởi không khí, hệ số tỏa nhiệt có thể được tính theo công thức gần đúng sau:

v 10

2 



 , kcal/m 2 giờ 0 C (7.5)

với: v- tốc độ chuyển động của không khí ở vách, m/s, được lấy ở trong phòng là 0,5

m/s còn bên ngoài là 8  12 m/s

Hệ số tỏa nhiệt của bề mặt bị choán bởi nước được xác định theo biểu thức:

v 1800

300 



 , kcal/ m 2 giờ 0 C (7.6)

với: v- tốc độ chuyển động của nước đối với vách, m/s

Từ phía bề mặt, bị choán bởi nước ngoài mạn, nhiệt trở của sự toả nhiệt 1/H có giá trị rất nhỏ, được bỏ qua

Khi biết các trị số để tính toán B, H và  có thể theo công thức (7.3) xác định được hệ số truyền nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp (không có khung xương) Khi có trong nó lớp đệm không khí, cần phải sử dụng công thức (7.4), còn độ lớn RT lấy theo Qui phạm

Để tính đến ảnh hưởng của các chi tiết ghép chặt (vít gỗ, đinh vít, tấm thép và v.v.) xuyên qua lớp cách nhiệt, keo dán, tính không chính xác khi lắp ráp, ẩm cách

nhiệt và v.v giá trị tính toán của hệ số truyền nhiệt k tăng lên 15 - 20% Như vậy hệ

số truyền nhiệt toàn bộ qua vách sẽ bằng

kP = ( 1,15  1,20 ) k (7.7)

Hình 7.1 Cách nhiệt treo trên khung xương

1 - vách thép; 2 - đệm không khí; 3 - gỗ; 4 - lớp cách nhiệt

Trần cách nhiệt, cũng như các vách, ở đó các khung xương nằm cách xa nhau nên

thường được làm theo sơ đồ hình 7.2

Ở sơ đồ hình 7.2, vật liệu cách nhiệt phủ đều cả các tôn vỏ cũng như xương của

nó Như thấy ở trên hình, vì có mặtcủa khung xương lồi ra khỏi cách nhiệt, mặt trong của nó bị lồi ra, nên nó lớn hơn mặt ngoài nhẵn Hệ số truyền nhiệt của cách nhiệt trong trường hợp này được xác định theo biểu thức:

Vách thép Lớp đệm không khí

Lớp cách nhiệt Gỗ

S 1 1

1

H







 kcal/ m 2 giờ 0 C (7.8)

ở đây: SBH - chiều rộng của bề mặt bên trong trải ra của cách nhiệt

S - khoảng cách giữa các xà ngang

Hình 7.2 Cách nhiệt vòng (trần)

a - thép chữ T; b - thép mỏ

Ở sơ đồ hình 7.2, vật liệu cách nhiệt phủ đều cả các tôn vỏ cũng như xương của

nó Như thấy ở trên hình, vì có mặtcủa khung xương lồi ra khỏi cách nhiệt, mặt trong của nó bị lồi ra, nên nó lớn hơn mặt ngoài nhẵn Hệ số truyền nhiệt của cách nhiệt trong trường hợp này được xác định theo biểu thức:

S

S 1 1

1

H







 kcal/ m 2 giờ 0 C (7.8)

ở đây: SBH - chiều rộng của bề mặt bên trong trải ra của cách nhiệt

S - khoảng cách giữa các xà ngang

Hệ số truyền nhiệt toàn bộ được xác định theo công thức (7.7)

Vách thép

Hình 7.3 Cách nhiệt với lưới gỗ bảo hiểm

1 - matit trát bề mặt và chỗ nối; 2 - vít cấy; 3 - các dầm gỗ của lưới bảo vệ; 4 - keo để

gắn;

5 - các tấm nhựa xốp; 6 - keo để gắn các tấm vải dầu; 7 - vít gỗ; 8 - matit để làm bằng

bề mặt và trát kín chỗ nối; 9 - tấm vải dầu; 10 - tấm gỗ; 11 - sơn (minium: Pb3O4)

Cách nhiệt thường được thực hiện theo sơ đồ hình 7.3 Trên hình vẽ biểu hiện tất

cả các chi tiết cơ bản trong kết cấu cách nhiệt

Ngoài các sơ đồ kết cấu đã đưa ra của cách nhiệt các phòng được sưởi dưới tàu, người ta còn sử dụng các sơ đồ khác

Để loại bỏ khả năng nước đọng thành giọt ở các vách bao quanh, nhiệt độ bề mặt bên trong bề mặt cách nhiệt bên trong buồng phải lớn hơn nhiệt độ điểm sương ở điều kiện đã cho, tức là: tI > tP

ở đây: tI - nhiệt độ bề mặt cách nhiệt, 0 C

tP - nhiệt độ điểm sương ở điều kiện đã cho, 0 C

Chiều dày tối thiểu cần thiết của cách nhiệt, loại bỏ khả năng nước đọng thành giọt của bề mặt trong của thành vách, được xác định theo công thức:

H P B

H P B i

t t

t t 1

















 (7.9)

ở đây:

i

i - tổng các giá trị tối thiểu nhiệt trở các lớp của kết cấu cách nhiệt

Nếu kết cấu cách nhiệt đã cho thì tính kiểm tra nó về đọng nước được tiến hành bằng việc xác định nhiệt độ bề mặt cách nhiệt bên trong khoang theo công thức:

H i i B

i i H B H B I

1 1

1 t t 1 t









































 (7.10)

Khi tính tổn thất nhiệt cho phòng được sưởi, người ta cũng tính cả nhiệt mất để làm nóng không khí được thông gió đi vào buồng để thông gió nó

 B H

P

B V n .c.t t

(7.11)

trong đó: VP - thể tích phòng, m3

n - số lần trao đổi không khí trong một giờ (thay đổi không khí gián đoạn)

 - khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ đã cho ở trong phòng, lấy

bằng 1,2 kg/ m 3

c - nhiệt dung riêng của không khí, lấy bằng 0,24 kcal/kg 0 C

Lượng nhiệt cần để giữ nhiệt độ yêu cầu trong buồng:

Q = QP + QB , kcal/giờ

(7.12)

trong đó:QP - tổn thất chung của nhiệt qua các vách của buồng, được xác định như

tổng tổn thất nhiệt qua mỗi vách, tức là QP = QCT

Từ lượng nhiệt Q, ta tính toán bề mặt các thiết bị sưởi (bộ gia nhiệt)

7.3 HỆ THỐNG SƯỞI BẰNG NƯỚC

7.3.1 Khái niệm chung

Hệ thống sưởi bằng nước - phương tiện cơ bản để sưởi ấm các buồng trên các tàu

hiện đại chạy nội địa Chất tải nhiệt của hệ thống là nước với nhiệt độ vào khoảng 70

 950 C Chỉ trong các hệ thống kín, nhiệt độ của nó mới có thể đạt 115120 0 C

Nước được đun nóng trong các nồi hơi khí thải hoặc nồi hơi phụ Đôi khi để đun

nóng nó, người ta sử dụng các thiết bị đun nước bằng điện và các nồi hơi - bếp điện

nhà bếp

Nước đã đun nóng được bơm chuyển qua hệ thống nhờ bơm tuần hoàn hoặc tuần

hoàn nhờ sự chênh lệch của khối lượng riêng nước nóng và lạnh của nước trong thiết

bị tăng nhiệt (tuần hoàn tự nhiên) Hệ thống tuần hoàn tự nhiên được gọi là hệ thống

trọng lượng (hấp dẫn)

Hệ thống sưởi bằng nước được trang bị một bình (két) giãn nở phản ứng với sự

thay đổi thể tích nước do phụ thuộc vào nhiệt độ Nếu bình giãn nở mà thông với khí

quyển, hệ thống được gọi là hệ thống hở, còn nếu không - hệ thống kín Ở trường hợp

hệ thống kín, sự thay đổi thể tích của nước trong hệ thống được tiếp thụ nhờ “đệm

không khí” ở trong két giãn nở

Các ưu điểm cơ bản của hệ thống, làm cho nó được sử dụng rộng rãi trên tàu, gồm có:

Tính vệ sinh

Nhiệt độ vừa phải của chất tải nhiệt (nước, t = 70  90 0 C) nhưng vẫn tích luỹ

được lượng nhiệt lớn, đảm bảo chế độ nhiệt bền vững ở các buồng được sưởi

Cấu tạo đơn giản, chế tạo và sửa chữa đơn giản

Làm việc không ồn

An toàn về phương diện phòng hỏa

Nhược điểm cơ bản của hệ thống là nó tương đối nặng (khối lượng lớn)

Hệ thống sưởi bằng nước có thể là một hoặc hai ống Trong hệ thống một ống, việc cấp nước đến thiết bị sưởi (bộ gia nhiệt) và dẫn nó đi được thực hiện theo một đường ống Chuyển động của nước nóng và nước đã làm việc có thể là một chiều và khác chiều, hơn nữa nước vào bộ tăng nhiệt từ bên trên hoặc bên dưới

Nước nóng được dẫn đến bộ tăng nhiệt theo các đường ống thẳng đứng và nằm ngang Các đường ống chính thẳng đứng được gọi là cột

7.3.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống

Hình 7.4 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sưởi một và hai đường ống

a - loại hai đường ống cùng chiều tuần hoàn, nước nóng đi từ trên xuống;

b, c - loại một đường ống

1 - khoá vòi điều chỉnh; 2 - nút xả không khí ra từ bộ sưởi

Các sơ đồ khác nhau mắc vào bộ tăng nhiệt trong hệ thống sưởi bằng nước ở tư thế ngang của các đường ống chính gồm hai loại, loại một đường ống và loại hai đường ống

Mặt khác đường nước làm việc vào bộ gia nhiệt có thể từ phía trên hoặc từ phía dưới, chuyển động của nước nóng và nước đã làm việc có thể là cùng chiều hoặc

ngược chiều Sơ đồ nguyên lý thể hiện ở hình 7.4

Loại một đường ống là nước sưởi và nước đã làm việc cùng chung một đường ống, còn loại hai đường ống là nước sưởi và nước đã làm việc đặt riêng

Người ta dùng các thiết bị đun nóng bằng thép rèn để làm thiết bị sưởi của hệ thống sưởi bằng nước ở các hệ thống đơn cũng như kép

Bố trí chung của hệ thống một ống sưởi bằng nước với tuần hoàn cưỡng bức đưa

ra trên hình 7.5 Như thấy trên hình vẽ, nước trong hệ thống chuyển động theo vòng

kín Hướng chuyển động của nó được chỉ bằng các mũi tên Ống thẳng đứng đi từ két giãn nở có ống tới thiết bị hâm nước Nước nóng từ đây đến nơi sử dụng theo đường ống độc lập (không biểu diễn trên hình) Để thực hiện tuần hoàn tự nhiên trong hệ thống khi bơm dừng, người ta đã thiết kế ống nhánh Theo nó, nước đã làm việc từ bộ sưởi có thể đi về nồi hơi vòng qua bơm Hệ thống được trang bị các thiết bị và dụng

cụ cần thiết

Các ống của hệ thống sưởi bằng nước cần phải đặt với độ dốc ít nhất từ 5  10

mm trên 1 m chiều dài từ vị trí rẽ nhánh (từ ống thẳng đứng đến nồi hơi đun nước)

Không tuân theo yêu cầu này dẫn đến ứ đọng nước và sự đông kết của các ống, điều

đó có thể là nguyên nhân các tai nạn của hệ thống

Hình 7.5 Bố trí chung của hệ thống sưởi bằng nước trên tàu

1 - nồi hơi đun nước; 2 - bơm tuần hoàn; 3 - bộ gia nhiệt; 4 - ống nhánh;

5 - ống nước tràn; 6 - bộ hâm nước; 7 - ống không khí; 8 - két giãn nở;

9 - đi về hầm tàu; 10 - nước bổ sung

Nước bổ sung

Về hầm

Hình 7.6 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sưởi bằng nước

a - kiểu một đường ống; 2 - kiểu hai đường ống

1 - nồi hơi sưởi; 2 - van giảm áp; 3 - áp kế; 4 - van an toàn; 5 - van hơi; 6 - hộp phân phối với van chặn; 7 - ống hơi sạch (tươi); 8 - bộ gia nhiệt; 9 - bình ngưng; 10 - van chặn phục hồi; 11 - hộp phân phối; 12 - ống nước ngưng tụ (đã làm việc); 13 - thùng nóng; 14 - bơm của thiết bị ngưng

7.3.3 Tính toán hệ thống sưởi bằng nước

Tính toán bắt đầu từ việc xác định tổn thất nhiệt qua từng ngăn (vách ngang, sàn, trần) của các phòng được sưởi

Lượng nhiệt qua các vách phẳng được tính theo công thức (7.1):

QCT = k.F.( tB - tH ) (7.13)

Nhiệt độ tính toán của không khí tB ở trong phòng được sưởi và nhiệt độ tH của môi trường bên ngoài được lấy ứng với các nhiệt độ đã cho Hệ số truyền nhiệt tới các vách ngăn tìm được nhờ tính toán

Lượng nhiệt tổn thất qua tất cả các vách ngăn của buồng là:

QP = QCT , kcal/giờ (7.14)

Tổn thất nhiệt QB khi thông gió buồng bằng không khí bên ngoài được xác định theo công thức (7.11)

Lượng nhiệt cần thiết để duy trì nhiệt độ yêu cầu trong phòng được sưởi là:

Q = QP + QB , kcal/giờ (7.15)

Bề mặt đốt nóng của bộ sưởi được tính theo công thức:

 CP B

GP GP

t t k

Q F



 , m 2 (7.16)

ở đây: kGP - hệ số truyền nhiệt của bộ sưởi, kcal/m 2 giờ 0 C

tCP - nhiệt độ trung bình của nước nóng trong bộ sưởi, 0 C

tB - nhiệt độ tính toán của không khí trong phòng, 0 C

Hệ số truyền nhiệt của bộ sưởi bằng thép rèn nằm trong khoảng 7,49,5

kcal/m 2 giờ 0 C

Nhiệt lượng trung bình của nước nóng trong các bộ sưởi của các hệ thống hai đường ống được lấy bằng:

2

t t

CP



 , 0 C (7.17)

trong đó: tG - nhiệt độ nước nóng, 0 C

t0 - nhiệt độ nước đã làm việc, 0 C

Khi biết bề mặt trao đổi nhiệt của một bộ sưởi fGP, ta tìm số lượng bộ sưởi cần thiết:

f

F n

GP

GP

GP  (7.18) Tổn thất nhiệt chung của tất cả các buồng được trang bị sưởi

QOB = Q , kcal/giờ (7.19)

Sản lượng nhiệt yêu cầu của nồi hơi của hệ thống sưởi bằng nước có thể xác định theo công thức gần đúng sau:

QBK = 1,2 QOB (7.20)

VPB = ( 0,03  0,045 ).VC , lít (7.21)

ở đây: VC - thể tích nước trong hệ thống sưởi, lít

Để xác định thể tích két giãn nở các hệ thống kín, sử dung công thức:

1 2

2 C PB

p p

p V 045 , 0 03 , 0 V





 , lít (7.22)

ở đây: p1 - giới hạn cho phép dưới của áp suất trong hệ thống, khi đó nước trong két

phải ở vạch dưới, kg/cm 2

p2 - giới hạn trên cho phép của áp suất trong hệ thống, kg/cm 2

Sản lượng yêu cầu của bơm tuần hoàn:

t t

Q Q

0 G

OB SH



 kg/giờ (7.23)

Cột áp của bơm tuần hoàn được lấy không lớn (đến 10  15 m.c.n.) và được tính

lại chính xác khi tính tổn thất thủy lực của hệ thống

Khi biết sản lượng xà cột áp của bơm, người ta lựa chọn bơm theo các catalogue Thường bơm tuần hoàn được đặt cùng với nồi hơi đun nước

Độ lớn của áp suất được dùng trong các hệ thống tuần hoàn tự nhiên có thể xác định theo công thức gần đúng:

PE = h.(0 - R), kg/m 2 (7.24)

ở đây: h - khoảng cách theo phương thẳng đứng từ tâm của nồi hơi đến phần giữa của

thiết bị sưởi, m

0 - khối lượng riêng của nước đã làm việc, kg/m 3

R - khối lượng riêng của nước nóng, kg/m 3

Trong các hệ thống tuần hoàn cưỡng bức, độ lớn của áp suất được dùng là:

pPR = pSH + 0,5.pE (7.25)

ở đây: pSH - áp suất được tạo ra do bơm tuần hoàn

Ở điểm bất kỳ của hệ thống, cột áp tác dụng không được vượt quá áp suất mà đã

dự tính cho các thiết bị đun nước, nồi hơi đun nước và thiết bị Điều này buộc phải tính đến khi chọn cột áp bơm tuần hoàn

Đường kính các đường ống của hệ thống được xác định theo công thức: