TỔNG QUAN
Giới thiệu về đề tài
1.1.1 Lý do chọn đề tài
Nước ta đang trên đà phát triển, với công nghiệp và năng lượng là hai lĩnh vực được ưu tiên hàng đầu Sự tăng trưởng nhanh chóng trong hai ngành này đòi hỏi công nghệ chế tạo và lắp ráp lò hơi cho công nghiệp và nhà máy nhiệt điện cần được chú trọng đúng mức.
Hiện nay, lò hơi đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như nhà hàng, khách sạn và bệnh viện, phục vụ cho các nhu cầu giặt là, sấy và tắm hơi Trong ngành công nghiệp thực phẩm và các ngành công nghiệp nhẹ như giấy, cao su và dệt, hơi nước được sử dụng cho các quy trình như đun sôi, chưng cất và cô đặc Ngoài ra, trong các nhà máy nhiệt điện, hơi nước được sản xuất để cung cấp cho tuốc bin hơi, từ đó tạo ra điện năng thông qua máy phát điện.
Công việc lắp đặt và vận hành lò hơi yêu cầu tính khoa học và kỹ thuật cao để đảm bảo an toàn, vì đây là thiết bị áp lực có thể gây nguy hiểm trong quá trình sử dụng Đối với sinh viên ngành Nhiệt, kiến thức về lò hơi là rất quan trọng bên cạnh các lĩnh vực kỹ thuật lạnh, kỹ thuật sấy và điều hòa không khí Do đó, nhóm đã chọn đề tài “Tính toán thiết kế lò hơi đốt dầu FO công suất 1 tấn/h áp suất 8 bar” để nghiên cứu và áp dụng kiến thức này.
1.1.2 Yêu cầu của đề tài
Tính toán thiết kế lò hơi 3 pass
- Áp suất làm việc: 8 bar
- Nhiệt độ: Hơi bão hoà
Bảng 1.1 Các thành phần nhiên liệu của dầu FO
C lv H lv S lv O lv A W N lv
- Nhiệt dung riêng của dầu FO là
CFO = 0, 415 + 0,0006.θ (kcal/kg o C ) Với: θ là nhiệt độ của dầu FO Chọn θ = 90 C [TL2-T36] o
- Nhiệt độ nước cấp là 30 o C, nhiệt độ không khí lạnh là 30 o C
- Nhiệt dung riêng của không khí là
Hình 1.1 Sơ đồ bố trí các thiết bị của lò hơi
1- Tủ điện điều khiển 2- Bộ đốt 3- Cụm ống thuỷ 4- Bộ điều khiển mức nước tự động 5- Hệ thống mức nước cấp 6- Chân lò hơi 7- Bơm nước cấp 8- Thân lò hơi 9- Ống khói
10- Van an toàn 11- Rơle áp suất 12- Đồng hồ đo nhiệt độ
Tổng quan về lò hơi
1.2.1 Vai trò của lò hơi và phân loại
Lò hơi là thiết bị quan trọng, nơi diễn ra quá trình đốt cháy nhiên liệu Nhiệt lượng sinh ra từ quá trình này sẽ được truyền cho nước trong lò, giúp biến nước thành hơi.
Lò hơi là thiết bị quan trọng trong các nhà máy công nghiệp như hóa chất, đường, rượu, bia, nước giải khát và thuốc lá, cung cấp hơi nước cho các quy trình công nghệ như đun nấu, chưng cất, cô đặc và sấy sản phẩm Hơi nước thường là hơi bão hòa với áp suất tương ứng với nhiệt độ bão hòa cần thiết cho quy trình, và loại lò này được gọi là lò hơi công nghiệp với áp suất thấp và sản lượng nhỏ Ngược lại, trong các nhà máy nhiệt điện, lò hơi sản xuất hơi để quay tuốc bin, yêu cầu công suất lớn với hơi quá nhiệt và áp suất cao, được gọi là lò hơi năng lượng.
Nhiên liệu sử dụng trong lò hơi có thể đa dạng, bao gồm nhiên liệu rắn như than gỗ và bã mía, cũng như nhiên liệu lỏng như dầu FO và DO, hoặc nhiên liệu khí.
Theo nhiệm vụ của lò hơi
Lò hơi năng lượng là thiết bị có công suất lớn, chủ yếu sử dụng trong các nhà máy năng lượng để quay tua bin hơi phát điện trong các nhà máy nhiệt điện Ngoài ra, chúng còn được sử dụng làm sức kéo cho tàu hỏa và tàu thủy Thông thường, lò hơi này có công suất trên 50 t/h, với áp suất thường lớn hơn 20 Mpa và nhiệt độ hơi vượt quá 305 độ C.
Lò hơi công nghiệp là thiết bị có công suất vừa và nhỏ, thường được sử dụng để cung cấp hơi cho các quy trình công nghệ cần nhiệt, như trong các nhà máy dệt, giấy và chế biến thực phẩm Hơi được sản xuất thường là hơi bão hòa, với áp suất không vượt quá 2,0 Mpa và nhiệt độ khoảng 250 độ C.
Lò hơi dân dụng là thiết bị có công suất nhỏ, thường được sử dụng trong các nhà hàng, khách sạn và bệnh viện Chức năng chính của lò hơi này là sản xuất hơi phục vụ cho các hoạt động như giặt là, sấy và tắm hơi Áp suất hơi tối đa của lò không vượt quá 0,5 Mpa, trong khi nhiệt độ hơi không quá 150 độ C.
- Lò hơi trung bình: 12 tấn/h < D 110 tấn/h
- Lò hơi cực lớn: D > 600 tấn/h
- Lò hơi hạ áp: P ≤ 10 bar
- Lò hơi trung áp 10 bar: < P ≤ 40 bar
- Lò hơi cao áp: 40 bar < P ≤ 100 bar
- Lò hơi siêu cao áp: P > 100 bar
- Lò hơi không có bộ quá nhiệt (hơi bão hoà)
- Lò hơi có bộ quá nhiệt (hơi quá nhiệt)
- Lò hơi có bộ quá nhiệt trung gian
Theo sơ đồ chuyển động của nước và hơi
- Lò hơi tuần hoàn tự nhiên (có bao hơi)
- Lò hơi tuần hoàn cưỡng bức (có bao hơi và bơm tuần hoàn hồn hợp nước và hơi)
- Lò hơi trực lưu (không có bao hơi)
Lò hơi có thể được phân loại theo phụ tại nhiệt Q1 (kcal/h), là đại lượng quan trọng để đánh giá chính xác và toàn diện công suất của lò Q1 phụ thuộc vào công suất hơi và các thông số liên quan đến hơi.
1.2.3 Quá trình phát triển lò hơi
Quá trình phát triển của lò hơi được minh họa qua hình 1.2, cho thấy sự gia tăng yêu cầu về công suất và thông số hơi, đồng thời giảm thiểu chi phí tiêu hao.
Việc chuyển đổi từ lò hơi hình trụ và lò hơi ống lửa sang lò hơi ống nước đã diễn ra hàng trăm năm, mang lại lợi ích về việc tăng diện tích bề mặt đốt Sự chuyển đổi này đạt được thông qua việc giảm đường kính ống, giúp giảm lượng kim loại sử dụng nhưng vẫn đảm bảo tăng công suất cho lò hơi.
Trong lò hơi ống nước nằm ngang, các ống sinh hơi được kết nối thành chùm qua buồng nước hình hộp, giới hạn áp suất hơi tối đa ở mức 12÷15 bar và gây khó khăn trong việc tiêu chuẩn hóa các bộ phận Để khắc phục nhược điểm này, có thể nối các chùm ống thẳng với đầu góp hình trụ và kết nối hai chùm ống ngang với một bao hơi, từ đó tăng áp suất và công suất của lò hơi nhờ vào số lượng và chiều dài ống Các bao hơi thường được đặt dọc ban đầu, nhưng sau đó chuyển sang ngang để tối ưu hóa diện tích bề mặt đốt Để ngăn ngừa sự đóng xỉ, hàng ống nên thiết kế theo dạng feston Việc áp dụng bộ hâm nước và bộ sấy không khí cũng giúp nâng cao hiệu suất và công suất lò hơi Tuy nhiên, việc tiêu hao kim loại lớn do số lượng bao hơi nhiều và sự bố trí dày đặc các chùm ống đã dẫn đến sự phát triển hạn chế của các loại lò này.
Ngày nay, các loại lò hơi ống nước đứng đã hoàn toàn thay thế các thiết kế cũ Các ống sinh hơi được kết nối trực tiếp với bao hơi, với số lượng bao hơi ban đầu từ 3 đến 5 và các ống được bố trí thẳng.
Gần đây, sự phát triển trong thiết kế lò hơi đã dẫn đến việc chỉ sử dụng một bao hơi và các chùm ống uốn cong ở hai đầu, cải thiện liên kết giữa các ống và tăng cường bề mặt đốt bức xạ trong buồng lửa Các loại lò hơi mới, bao gồm cả lò hơi có một bao hơi và lò trực lưu không có bao hơi, đã được hoàn thiện nhằm tối ưu hóa hiệu suất và hiệu quả sử dụng năng lượng.
7 Hình 1.2 Sự phát triển về mặt cấu tạo của các loại lò hơi chủ yếu tuần hoàn tự nhiên
Lò hơi có nhiều loại, bao gồm lò hơi hình trụ, lò hơi nhiều hình trụ và lò hơi ống lửa lô-cô Ngoài ra, còn có lò ống nước nằm ngang với các buồng nước và lò ống nước nằm ngang không có buồng nước.
Lò hơi với các ống thẳng được ký hiệu là k,l, trong khi lò hơi với các ống uốn cong mang ký hiệu m Đặc biệt, lò có một bao hơi với thông số hơi cao được ký hiệu là n Cuối cùng, lò hơi lớn và hiện đại được hình thành theo kiểu chữ T.
Lò hơi hiện đại bao gồm nhiều thành phần quan trọng, như hệ thống dập than thanh bột, thiết bị vận chuyển và cung cấp nhiên liệu cùng nước, quạt cung cấp gió và vận chuyển khói, cùng với các dụng cụ đo lường và kiểm soát, cũng như các thiết bị tự động điều chỉnh.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nhiên liệu
Nhiên liệu đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của lò hơi, vì vậy việc hiểu rõ về các đặc tính của nó như quá trình cháy, khả năng vận chuyển, sự tạo trọ và chất thải là cần thiết cho việc thiết kế, lựa chọn, vận hành và bảo trì lò hơi Hiện nay, nguồn nhiên liệu chính cho lò hơi bao gồm nhiên liệu hữu cơ và nhiên liệu hạt nhân Trong đó, nhiên liệu dầu FO là một loại nhiên liệu hữu cơ với thành phần hóa học đặc trưng.
Cacbon (C) là thành phần chính trong nhiên liệu, chiếm tỉ lệ lớn nhất và có nhiệt trị đạt 34 MJ/kg, cho thấy giá trị nhiệt lượng riêng của nguyên tố này.
Hydro (H): Có nhiệt trị cao nhất trong nhiên liệu là 144 MJ/kg, tỉ lệ của nó trong nhiên liệu không lớn lắm
Lưu huỳnh (S) có nhiệt trị khoảng 9 MJ/kg và tỉ lệ thấp trong nhiên liệu, nhưng nồng độ của nó trong nhiên liệu lỏng cao hơn so với nhiên liệu rắn Sản phẩm cháy của lưu huỳnh là SO2, làm tăng khả năng ăn mòn bề mặt truyền nhiệt, do đó, lưu huỳnh được coi là nguyên tố có hại.
Nhiên liệu sử dụng cho lò hơi là dầu FO (Madút), thường được biết đến với tên gọi dầu đen Hiện tại, thị trường cung cấp nhiều loại dầu FO khác nhau.
- Có độ lưu huỳnh thấp: %S < 0,5%
- Có độ lưu huỳnh trung bình: %S = 0,5÷2%
- Có độ lưu huỳnh cao: %S > 2%
Trong ngành công nghiệp, lò hơi chủ yếu sử dụng dầu hoặc dầu FO làm nhiên liệu Lưu huỳnh trong nhiên liệu có ba dạng chính: hữu cơ, khoáng chất và sunfat.
- Dạng hữu cơ có khả năng cháy, gọi S hc
- Dạng khoáng chất có khả năng cháy, gọi S kc
- Dạng sunfat không có khả năng cháy như CaSO4, MgSO4,… gọi S sf
Ta có: hc kc sf
S = S + S + S Khi đốt lưu huỳnh ở dạng sunfat, nó không cháy mà chuyển sang dạng tự do khói
2.1.2 Các thành phần không cháy: O, N
Oxy (O) và Nitơ (N) là những thành phần không có lợi trong nhiên liệu, làm giảm nhiệt trị của nó Khi nhiên liệu ở trạng thái căng non, lượng oxy càng cao Đối với Nitơ, khí này không cháy và tồn tại tự do trong khói dưới dạng NO, NO2 và N2, tạo ra những thành phần có hại cho môi trường.
Là thành phần nước chứa trong nhiên liệu
- Độ ẩm trong: Là các phân tử H2O nằm sâu bên trong Để khử độ ẩm này phải sấy trên
Độ ẩm ngoài là nước tự do kết hợp với nhiên liệu ở bề mặt ngoài Để loại bỏ độ ẩm này, chỉ cần sấy ở nhiệt độ 80°C trong điều kiện Pkq.
- Độ ẩm toàn phần: Bao gồm độ ẩm trong và độ ẩm ngoài Để khử độ ẩm toàn phần, người ta thường sấy ở nhiệt độ 10 o C
Nhiên liệu chứa các tạp chất như oxít nhôm, hợp chất Fe, Ca, Mg không tham gia vào phản ứng cháy, được gọi là thành phần khoáng Nếu nhiên liệu có độ tro quá cao, sẽ gây khó khăn trong việc sử dụng lò hơi, vì tro cháy tạo thành xỉ tích tụ trong buồng cháy, ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt.
Là nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy 1kg nhiên liệu rắn hoặc lỏng hay 1m 3 tiêu chuẩn nhiên liệu khí
Có hai loại gồm: nhiệt trị thấp và nhiệt trị cao
Nhiệt lượng được sinh ra khi nhiên liệu được đốt cháy hoàn toàn trong điều kiện hơi nước của sản phẩm cháy được ngưng tụ và các sản phẩm cháy khác được làm sạch đến 0℃.
Là nhiệt lượng sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu trong điều kiện làm việc thực tế
Tính toán hiệu suất của lò hơi
Nhiệt lượng cung cấp cho lò hơi, được tính từ nhiệt lượng sinh ra trong buồng lửa, bao gồm tổng nhiệt lượng của hơi nước và các thông số đã cho (nhiệt hữu ích), đồng thời phải tính đến các nhiệt lượng tổn thất.
Nếu xét 1 kg chất rắn, chất lỏng hay 1 m 3 chất khí, chúng ta có phương trinh cân bằng nhiệt tổng quát như sau: l o 1 2 3 4 5 6
- Q : Nhiệt lượng dẫn vào lò hay tổng nhiệt (kJ/kg) l o
- Q : Nhiệt lượng sử dụng hữu ích để sinh ra hơi (kJ/kg) 1
- Q : Lượng tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài lò hơi (kJ/kg) 2
- Q : Lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hoá học (kJ/kg) 3
- Q : Lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học (kJ/kg) 4
- Q : Lượng tổn thất nhiệt do toả nhiệt từ mặt ngoài tường lò ra không khí xum quanh 5 (kJ/kg)
- Q : Lượng tổn thất nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài (kJ/kg) 6
Nếu thể hiện dưới dạng %, ta có: i i dv q = Q 100%
Hiệu suất lò hơi: i t i dv η = q = Q 100% = 1- q%
Tính toán nhiệt độ ra của từng Pass
Hình 2.1 Mặt cắt lò hơi 3 pass
Nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa được xác định theo công thức:
- B : Tiêu hao nhiên liệu tính toán t
- φ: Hệ số bảo toàn nhiệt năng
- θ : Nhiệt độ cháy lý thuyết a
- H : Bề mặt hấp thụ bức xạ b
- VC : Tổng nhiệt dung trung bình sản phẩm cháy của 1kg nhiên liệu m
Nhiệt độ trung bình của pass 2 và pass 3 được xác định bằng cách tính trung bình nhiệt độ vào và ra của khói trong từng pass, theo công thức: v r tb θ + θ θ = 2 [TL1-T69].
Tính toán khí động lò hơi
Mục đích của tính toán khí động là lựa chọn quạt gió và quạt khói cho lò hơi dựa trên việc xác định lượng gió và khói cùng với toàn bộ trở lực của hệ thống đường gió và đường khói Quá trình này cũng cho phép tối ưu hóa các bộ phận và đoạn đường khói, không khí nhằm giảm thiểu chi phí tính toán, đồng thời cung cấp dữ liệu cần thiết để thiết kế hiệu quả cho hệ thống đường khói và đường không khí.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Nhiên liệu và cân bằng nhiệt trong lò hơi
3.1.1 Thể tích của không khí và sản phẩm cháy
Tất cả các thể tích và entanpi của không khí và sản phẩm cháy (khói) đều tiến hành với 1kg nhiên ở điều kiện tiêu chuẩn
Thể tích không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu được xác định theo công thức: o lv lv lv lv
= 10,365 Nm 3 /kg Thể tích không khí lý thực tế đã đốt dầu FO:
Hệ số không khí thừa lấy giới hạn từ 1,08 - 1,15 Chọn α =1.1 [TL1-T34] Thể tích khí 3 nguyên tử:
1,595= Nm 3 /kg Thể tích khí Nitơ:
Thể tích lý thuyết của hơi nước:
= 1,336 Nm 3 /kg Thể tích của hơi nước:
= 1,353 Nm 3 /kg Tổng thể tích sản phẩm cháy là:
Tỷ lệ thể tích của khí ba nguyên tử bằng áp suất riêng phân của khí ở áp suất chung là
Tỷ lệ khí 3 nguyên tử với khói thải
Tỷ lệ hơi nước với khói thải
Bảng 3.1 Kết quả tính toán thể tích không khí và sản phẩm cháy
3.1.2 Entanpi của không khí và sản phẩm cháy
Entanpi của khói đối với 1kg nhiên liệu được xác định bởi công thức: o o k k
- I : Entanpi của khỏi lý thuyết khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu với o k α = 1
- c: Nhiệt dung của các loại khí (kcal/kg)
- θ: Nhiệt độ của các loại khí ℃
- cθ: Entanpi theo thể tích của từng loại khí ở nhiệt độ θ
Sử dụng các thông số ở bảng Entanpi của sản phẩm cháy và không khí của nhiên liệu để tính Ik ta có bảng kết quả theo nhiệt độ:
Bảng 3.2 Kết quả tính toán Entanpi theo nhiệt độ θ (℃) I (kcal/kg) o k I (kcal/kg) o I (kcal/kg) k
3.1.3 Cân bằng nhiệt lò hơi
Hình 3.1 Đồ thị nhiệt đọng sương của khói phụ thuộc vào nồng độ lưu huỳnh
Với thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu là 0,5% ta có thể chọn sơ bộ nhiệt khói thải θk = 200 o C với nhiệt độ đọng sương là 130 o C
Cân bằng nhiệt được thiết lập đối với chế độ nhiệt ổn định của lò hơi cho 1kg nhiên liệu
Phương trình cân bằng nhiệt: l o 1 2 3 4 5 6
Q = Q + Q + Q + Q + Q + Q (kJ/kg) [TL1-T36] Trong đó:
- Q : Nhiệt lượng dẫn vào lò hay tổng nhiệt (kJ/kg) l o
- Q : Nhiệt lượng sử dụng hữu ích để sinh ra hơi (kJ/kg) 1
- Q : Lượng tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài lò hơi (kJ/kg) 2
- Q : Lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hoá học (kJ/kg) 3
- Q : Lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học (kJ/kg) 4
- Q : Lượng tổn thất nhiệt do toả nhiệt từ mặt ngoài tường lò ra không khí xum quanh 5 (kJ/kg)
- Q : Lượng tổn thất nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài (kJ/kg) 6
3.1.4 Nhiệt lượng dẫn vào lò
Nhiệt lượng dẫn vào lò được xác định theo công thức l l o th k n f
Q = Q + Q + i + Q (kJ/kg) [TL1-T36] Trong đó:
- Q : Nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu l th
Với nhiên liệu là dầu FO ta có: l lv lv lv lv lv
- Q : Nhiệt lượng do không khí sấy nóng từ bên ngoài mang vào lò hơi k
Lò hơi không sử dụng bộ sấy không khí nên Q = 0 k
- i : Nhiệt lượng vật lý của nhiên liệu n n n n i = c θ = 0,469.90
- Q : Nhiệt lượng do hơi phun sương dầu FO mang vào lò hơi f
Lựa chọn phương pháp tán sương kiểu áp lực Q = 0 f
Nhiệt lượng dẫn vào lò Q l o = 39325,9+ 0 +176,606 + 0 = 39502,51 kJ/kg
3.1.5 Các tổn thất nhiệt trong lò hơi
Các tổn thất nhiệt trong lò hơi được biểu thị bằng giá trị tương đối i i l o q = Q 100%
Lượng tổn thất nhiệt do khói thải mang ra ngoài lò hơi q 2 o
- I : Entanpi của khói với không khí thừa k α và nhiệt độ k θ (kJ/kg) k
Với θ = 200℃ tra bảng 3.2 Kết quả tính toán Entanpi theo nhiệt độ ta có: k
- α : Hệ số không khí thừa k α =1,1 k [TL1-T34]
- I :Entanpi của không khí lạnh lý thuyết o l o o l kkl
- q : Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học 4
Nhiên liệu sử dụng là dầu FO nên q = 0 [TL1-T39] 4
Lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hoá học q 3
Nhiên liệu đốt là dầu FO: q = (1 3 1,5)% Chọn q = 1% 3 [TL1-T38]
Lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học q 4
Nhiên liệu đốt là dầu FO q4 =0 [TL1-T39]
Lượng tổn thất nhiệt do toả nhiệt từ mặt ngoài tường lò ra không khí xung quanh q 5
Theo kinh nghiệm thực tiến chọn sơ bộ:
- Nhiệt độ bề mặt lò hơi: θ = 70 C = 343 K s o o
- Chọn lượng nhiên liệu tiêu hao B = 75 kg/h
Chọn sơ bộ kích thước lò hơi theo kinh nghiệm thực tế là
Lượng tổn thất nhiệt do toả nhiệt từ mặt ngoài tường lò ra không khí xung quanh
- Hệ số bảo toàn nhiệt năng: q5 1, 62 φ = 1- = 1- 0,98
100 100 Lượng tổn thất nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài q 6
Nhiên liệu sử dụng là dầu FO nên q = 0 6 [TL1-T41] Tổng các tổn thất nhiệt trong lò hơi:
3.1.6 Hiệu suất và nhiên liệu tiêu hao của lò hơi
- Hiệu suất lò hơi η = 100 -q = 100 - 9,98 = 90,02% [TL1-T40]
- Tiêu hao nhiên liệu cho lò hơi qn nc lv t
Với p = 8 (bar) Tra bảng nước và hơi bão hoà [TL3-T520]
Ta có: i= 702,9 kJ/kg i'69 kJ/kg
Với p = 8 (bar) vàt nc = 30 C Tra bảng nước chưa sôi và hơi quá nhiệt [TL3-T520] o
Ta có: i = 126,75 kJ/kg nc qn nc lv t
- Tiêu hao nhiên liệu tính toán
Bảng 3.3 Kết quả tính toán tổn thất nhiệt l
Các tổn thất nhiệt (%) η (%) B (Kg/h) t q2 q 3 q 4 q 5 q 6
Xác định sơ bộ kích thước của lò hơi
3.2.1 Diện tích bề mặt truyền nhiệt của lò hơi
- Lò hơi sử dụng là lò hơi phối hợp ống lò ống lửa có suất sinh hơi o
- Diện tích sơ bộ của lò hơi o
- Nhiệt thể tích tiết diện ngang lv t F bl q = B.Q
Với q F 500 6000 kW/m 2 Chọn q F 500 kW/m 2 [TL11-T18]
- Diện tích tiết diện ngang buồng lửa lv t bl
- Đường kính buồng lửa là bl bl
3.2.2 Xác định kích thước ống lò
Ống lò được chế tạo từ thép cacbon chuyên dụng mã hiệu 20K, có khả năng chịu nhiệt độ cao do tiếp xúc trực tiếp với lửa Thép này được cuốn thành hình trụ và hàn dọc thành đường liền suốt, đảm bảo độ bền và an toàn trong quá trình sử dụng.
Để xác định kích thước ống lò, dựa vào đồ thị, chiều dài ngọn lửa sơ bộ được chọn khoảng 2m, chiếm từ 75-80% chiều dài ống lò Do đó, chiều dài ống lò trong trường hợp này được lựa chọn là 2,5m.
Hình 3.2 Đồ thị xác định chiều dài ngọn lửa
- Thể tích buồng lửa bl bl ol
- Đường kính ống lò ol
- Diện tích bức xạ trong lò bx ol ol
3.2.3 Xác định kích thước ống lửa
Vật liệu chế tạo: Ống lửa là bộ phần tiếp xúc với khói nóng nên dùng thép cacbon chất lượng cao, sử dụng thép mã hiệu C20 dày 2,5mm
- Đường kính ngoài dng= 51mm
- Chiều dày vật liệu 2,5mm
- Đường kính trong dtr= 46 mm
- Chiều dài ống lửa ở pass 2: 2,5m
- Chiều dài ống lửa ở pass 3: 2,8 m
- Tổng số mét chiều dài ống dl dl tr
- Tổng số ống lửa tối thiểu là ldl 143,38 n = = = 53, 2
Chọn tổng số ống lửa là 54 ống
Trong đó : d = 0,051 (m) đường kính ngoài của ống lò ng
- Để tiện cho việc lắp ráp và chế tạo ta chọn số ống pass 3 nhiều hơn pass 2
Số ống lửa trên pass 2 là: 22 ống
Số ống lửa trên pass 3 là 32 ống
Hình 3.3 Bước ống ngang và bước ống dọc của ống lửa
Hình 3.4 Sơ đồ bố trí mặt sàn ống lửa
Hình 3.5 Mặt cắt lò hơi
Tính toán trao nhiệt trong buồng lửa
3.3.1 Nhiệt hữu ích toả ra trong buồng lửa l 3 6 ' o o k k
- Q : Nhiệt trị làm việc thấp của nhiên liệu l o Q = 39502,51 (kJ/kg) l o
- q : Lượng tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn về mặt hoá học 3 q = 1% 3
- q : Lượng tổn thất nhiệt do xỉ nóng mang ra ngoài 6 q = 0 6
- Q :Nhiệt lượng do không khí mang vào lò khi có sấy sơ bộ từ bên ngoài Vì không sử k dụng bộ sấy không khí nên Q =0 k
- Q : Nhiệt lượng do không khí mang vào buồng lửa ' k
30 α : Hệ số không khí thừa trong buồng lửa Chọn o α =1,1 o [TL1-T34]
: Lượng không khí lọt vào buồng lửa o =0,05 [TL1-T35]
: Lượng không khí lọt vào hệ thống n = 0 [TL1-T35]
I : Entanpi của không khí lý thuyết ở nhiệt độ ra khỏi bộ sấy không khi o I = 0 " o
Ikkl: Entanpi của không khí lạnh kkl o kkl
Q = (Δα - Δα ).I =0,05.423,71 20,69= kJ/kg Vậy: Nhiệt hữu ích trong buồng lửa o
3.3.2 Nhiệt lượng truyền lại cho buồng lửa với 1 kg nhiên liệu o b o bl
Q = (Q - I ) kJ/kg [TL1-T45] Chọn nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa sơ bộ là θ = 1050 C bl o
Ta có I = 4693,15 kcal/kg = 19636,14 kJ/kg o bl o b o bl
3.3.3 Tổng nhiệt dung trung bình của sản phẩm cháy của 1kg nhiên liệu o o bl m " a o
Ta có:Q = I = 38953,33 kJ/kg = 9310,07 kcal/kg nên nhiệt độ cháy lý thuyết o a θ 44 a o C o o bl m " a o
3.3.4 Nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa
- φ: Hệ số bảo toàn nhiệt năng φ= 0,98
- VC : Tổng nhiệt dung trung bình của sản phẩm cháy 1kg nhiên liệu m
- B : Tiêu hao nhiên liệu tính toán t B = 74,64 kg/h t
- H : Bề mặt hấp thụ bức xạ b H = b F = 4,28 m v 2 [TL1-T47]
Nhiên liệu sử dụng là dầu FO nên =0,9 [TL1-T46]
Trong đó: a': Độ đen hiệu dụng của ngọn lửa a' = β.a [TL1-T49]
Hệ số β, phụ thuộc vào sắc thái ngọn lựa, được tính bằng β = 0,75 [TL1-T50] Độ đen của môi trường trong buồng lửa được xác định qua công thức a = 1 - e^(-kps) [TL1-T48], trong đó e là cơ số logarit tự nhiên và k là hệ số làm yếu tia bức xạ do môi trường trong buồng lửa.
1000 1000 [TL1-T53] p: Áp suất trong buồng lửa Lò hơi dòng khí tự nhiên p = p = 1 bar a s: Bề dày hữu dụng của lớp bức xạ ngọn lửa bl v
-kps -1,62.1.0,49 a = 1- e =1- e =0,55 Độ đen hiệu dụng của ngọn lửa
' 0,75.0,55 0, 41 a = ': Độ dày đặc của dàn ống b v ψ' = H = 1
F [TL1-T47] Độ đen của buồng lửa o
0, 41+ (1- 0, 41).1.0,9 Vậy: Nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa là
Ta có θ - θ = 7 < 50 Vậy Nhiệt độ khói ra buồng lửa là 1057℃ " o bl
Tính toán nhiệt pass 2
Các kính thước sơ bộ
- Nhiệt độ khói vào pass 2: θ = 1057 C 2v o
- Chọn sơ bộ nhiệt độ khói ra pass 2: θ = 690 C 2r o
- Chiều dài ống lửa ở pass 2: 2,5 m
- Đường kính trong của ống lửa: d = 0,046 m tr
- Đường kính ngoài của ống lửa: d ng = 0,051 m
3.4.1 Phương trình cân bằng nhiệt giữa nhiệt lượng do khói truyền lại và nhiệt lượng do nước hấp thụ cb2 2v 2r kkl
- φ: Hệ số bảo toàn nhiệt năng
- I : Entanpi khói vào bề mặt đốt 2v
- I 2r : Entanpi của khói ra khỏi bề mặt đốt
- Δ𝛼: Lượng không khí lọt vào Δα = o +Δα o [TL1-T35]
Với: o = 1: Hệ số không khí thừa trong buồng lửa Δα o = 0,05: Lượng không khí lọt vào buồng lửa Δα = o +Δα o = 1,1+0,05 = 1,15
- I kkl : Entanpi của không khí lạnh o kkl kkl θ = 30 C I ,88 kcal/kg = 413,71kJ/kg cb2 2v 2r kkl
- α , 1 α : Hệ số toả nhiệt từ khói cho vách ống và từ vách ống cho nước 2
Do α 1 α :Cho nên nhiệt trở mặt trong ống có thể bỏ qua 2 [TL1-T64]
- δ ,λ :Bề dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp tro xỉ và muội trên bề mặt ống b b b b δ 0,015 λ = = [TL1-T93]
- δ ,λ : Bề dày và hệ số dẫn nhiệt của vách ống v v
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 v v δ = 0 λ
- δ , λ : Bề dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp cáu trên bề mặt trong của ống c c
Lò hơi yêu cầu nước sạch, do đó lớp cáu bẩn gần như không tồn tại Hệ số truyền nhiệt có thể được tính bằng công thức: c c δ λ = 0 [TL3-T107].
Xác định hệ số toả nhiệt từ môi chất nóng cho vách α 1
- ω : Hệ số bao phủ tính đến giảm hấp thụ nhiệt của bề mặt đốt do không được khói bao
35 phủ toàn bộ Với chùm ống ngang w = 1 [TL1-T64]
- α : Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu (kJ/m k 2 h o C)
- α : Hệ số toản nhiệt bằng bức xạ (kJ/m b 2 h o C)
Hệ số toả nhiệt đối lưu pass 2 α k k h l vl α = α C C [TL1-T77]
Chọn tốc độ khói trong pass 2: w = 8 m/s [TL6-T01] Đường kính trong của ống lửa: d = 0,046 m tr
Tra đồ thị 6.7 ta có α h # kcal/m 2 h o C = 96,23 kJ/m 2 h o C [TL1-T77]
Nhiệt độ trung bình của khói ở pass 2 v2 r2 tb2 θ + θ 1057 + 690 θ = = = 873,5
Tỷ lệ hơi nước với khói thải
H O 2 r =0,111 Tra đồ thị 6.7 ta có C vl =0,7 [TL1-T78]
Tỷ số chiều dài và đường kính ống lửa ở pass 2 là tr l 2,5
Tra đồ thị 6.7 ta có C l =1 [TL1-T78]
Hệ số toả nhiệt đối lưu pass 2 k h l vl α = α C C ,23.0,7.1 67,36= kJ/m 2 h o C
Hệ số toả nhiệt bức xạ pass 2 α b b h k α = α C a kJ/m 2 h o C [TL1-T86]
Chọn nhiệt độ vách thấp nhất là θ v %0 o C [TL1-177] Nhiệt độ trung bình của khói ở pass 2: θ tb2 = 873,5 o C
Tra đồ thị 6.12 ta có α = 118 kcal/ m h 2 h o C = 413,71 kJ/m 2 h o C và C = 0,98 [TL1-T86] k Xác định a
-k.p.s a = 1- e [TL1-T84] p: Áp suất trong buồng lửa Lò hơi dòng khí tự nhiên p = p = 1 at a s: Bề dày hữu dụng của lớp bức xạ
Thể tích lớp bức xạ V 2
Diện tích các bề mặt bao bọc F v2 v2 tr 2
F = 7,95= m k: Hệ số làm yếu tia bức xạ
Hệ số toả nhiệt bức xạ pass 2 α b b h k α = α C a = 118.0,21.0,98 = 24,28 kcal/ m 2 h o C = 101,61 kJ/m 2 h o C
Hệ số toả nhiệt từ môi chất nóng cho vách α 1 α = 67,36 +101,61 = 168,97 kJ/m1 2 h o C = 40,38 kcal/ m 2 h o C Vậy: Hệ số truyền nhiệt
Nhiệt lương do bề bặt đốt hấp thụ bằng đối lưu và bức đối với 1kg nhiên liệu v2 tr2 t k.F Δθ
- F : Diện tích bề mặt bao bọc của pass 2 v2 F = 7,95m v2 2
- B : Tiêu hao nhiên liệu tính toán kg/h t
- k: Hệ sô truyền nhiệt của bề mặt đốt tính toán kcal/ m 2 h o C
- Δθ: Độ chênh lệnh nhiệt độ o C max 2v bh Δθ = θ + θ = 1057 -170 = 887 o C min 2r bh Δθ = θ + θ = 690 -170 = 520 o C max min max min Δθ - Δθ 887 - 520 Δθ = = = 687 Δθ ln 887 ln Δθ 520
Xác định ΔQ % giữa Q và tr2 Q cb2 cb2 tr2 cb2 tr2
= − + ΔQ < 2% : Nhiệt độ khói ra tại pass 2 là θ = 690 2r o C
Tính toán nhiệt pass 3
Các kính thước sơ bộ
- Nhiệt độ khói vào pass 3: θ = 690 C 3r o
- Chọn nhiệt độ khói ra pass 3:θ = 410 C 3r o
- Chiều dài ống lửa ở pass 3: 2,8 m
- Đường kính trong của ống lửa: d = 0,046 m tr
- Đường kính ngoài của ống lửa: d ng = 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 cb3 3v 3r kkl
- φ: Hệ số bảo toàn nhiệt năng
- I : Entanpi khói vào bề mặt đốt 3v
- I 3r : Entanpi của khói ra khỏi bề mặt đốt
- Δα: Lượng không khí lọt vào
Với: o = 1: Hệ số không khí thừa trong buồng lửa Δα o = 0,05: Lượng không khí lọt vào buồng lửa Δα = o +Δα o = 1,1+0,05 = 1,15
- I kkl : Entanpi của không khí lạnh o kkl kkl θ = 30 C I ,88 kcal/kg = 413,71kJ/kg cb3 3v 3r kkl
- α , 1 α : Hệ số toả nhiệt từ khói cho vách ống và từ vách ống cho nước 2
Do α 1 α :Cho nên nhiệt trở mặt trong ống có thể bỏ qua 2 [TL1-T64]
- δ ,λ :Bề dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp tro xỉ và muội trên bề mặt ống b b b b δ = ε = 0,015 λ
- δ ,λ : Bề dày và hệ số dẫn nhiệt của vách ống v v
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 δ = 0 λ v v
- δ , λ : Bề dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp cáu trên bề mặt trong của ống c c
Vì lò hơi yêu cầu nước phải thật sạch nên chiều dày của lớp cáu gần như không có
40 c c δ λ = 0 [TL3-T107] Vậy có thể tính hệ số truyền nhiệt theo công thức:
Xác định hệ số toả nhiệt từ môi chất nóng cho vách α 1
- ω : 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 [TL1-T64]
- α : Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu (kJ/m k 2 h o C)
- α : Hệ số toản nhiệt bằng bức xạ (kJ/m b 2 h o C)
Hệ số toả nhiệt đối lưu pass 3 α k k h l vl α = α C C [TL1-T77]
Chọn tốc độ khói trong pass 3: w = 7 m/s [TL6-T01] Đường kính trong của ống lửa: d = 0,046 m tr
Tra đồ thị 6.7 ta có α h ,8 kcal/m 2 h o C = 87,03 kJ/m 2 h o C [TL1-T77]
Nhiệt độ trung bình của khói ở pass 3 v3 r3 tb3 θ + θ 690 + 410 θ = = = 550
Tỷ lệ hơi nước với khói thải
Tra đồ thị 6.7 ta có C vl =0,8 [TL1-T78]
Tỷ số chiều dài và đường kính ống lửa ở pass 3 là tr l 2,8
Tra đồ thị 6.7 ta có C l =1 [TL1-T78]
Hệ số toả nhiệt đối lưu pass 3 k h l vl α = α C C ,03.0,8.1 79,62= kJ/m 2 h o C
Hệ số toả nhiệt bức xạ pass 3 α b b h k α = α C a kJ/m 2 h o C [TL1-T86]
Nhiệt độ vách v bh θ = θ + 4.S + 60 = 170 + 4.2,5 + 60 = 240 o C [TL1-T177] Chọn nhiệt độ vách thấp nhất là θ v %0 o C [TL1-177] Nhiệt độ trung bình của khói ở pass 3: θ = 550 tb3 o C
Tra đồ thị 6.12 ta có α = 54 kcal/ m h 2 h o C = 225,94 kJ/m 2 h o C và C =0,95 [TL1-T86] k Xác định a
-k.p.s a = 1- e [TL1-T84] p: Áp suất trong buồng lửa Lò hơi dòng khí tự nhiên p = p = 1 bar a s: Bề dày hữu dụng của lớp bức xạ
Thể tích lớp bức xạ V 3
Diện tích các bề mặt bao bọc F v3 v3 tr 3
F = 12,95 = m k: Hệ số làm yếu tia bức xạ
Hệ số toả nhiệt bức xạ pass 3 α b b h k α = α C a = 54.1.0,24.0,95 = 12,31 kcal/ m 2 h o C = 51,51 kJ/m 2 h o C
Hệ số toả nhiệt từ môi chất nóng cho vách α 1 α = 79,62 + 51,51 = 131,13 kJ/m1 2 h o C = 31,34 kcal/ m 2 h o C Vậy: Hệ số truyền nhiệt
Nhiệt lương do bề bặt đốt hấp thụ bằng đối lưu và bức đối với 1kg nhiên liệu v3 3 tr3 t k.F Δθ
- F : Bề mặt bao bọc tại pass 3 v3 F = 12,95 m v3 2
- B :Tiêu hao nhiên liệu tính toán kg/h t
- k: Hệ sô truyền nhiệt của bề mặt đốt tính toán kcal/ m 2 h o C
- Độ chênh lệnh nhiệt độ Δθ o C max 3v bh Δθ = θ + θ = 690 -170 = 520 o C min 3r bh Δθ = θ + θ = 410 -170 = 240 o C max min max min Δθ - Δθ 520 - 240 Δθ = = = 362 Δθ ln 520 ln Δθ 240
Xác định ΔQ % giữa Q tr3 và Q cb3 cb3 tr3 cb3 tr3
ΔQ 2% : Nhiệt độ khói ra tại pass 3 là θ = 410 3r o C
Tính toán khí động lò hơi
Mục đích của tính toán khí động là lựa chọn quạt gió và quạt khói cho lò hơi dựa trên việc xác định lượng gió, khói và toàn bộ trở lực của hệ thống đường gió, đường khói Quá trình này cũng cho phép tối ưu hóa các bộ phận và đoạn đường khói, không khí nhằm giảm thiểu chi phí, đồng thời cung cấp dữ liệu cần thiết để thiết kế hệ thống đường khói và đường không khí hiệu quả.
3.6.2 Tính toán lực hút tự nhiên của ống khói c a o h = ±Hg ρ - ρ 273
- H: chiều cao ống khói Đối với lò có sản lượng hơi dưới 5 Tấn/h chọn H = 30m [TL8-T187]
- θ : Nhiệt độ trung bình của đường khói k k kv θ = θ - Δθ.H1
- θ : nhiệt độ vào ống khói 410℃ kv
Mức giảm nhiệt độ của khói qua 1m chiều cao ống được xác định Δθ = c
- c: Hệ số thực nghiệm c = 1,05 [TL8-T183]
- D: Sản lượng hơi 1 Tấn/h = 0.278 (kg/s)
- ρ : Khối lượng riêng của khống khí xung quanh a a k ρ = 0132 273
- ρ :Khối lượng riêng của khói ở 0 o o C và 760 mmHg lv o o k
- Pass 1: λ: Hệ số ma sát λ =0,02 [TL1-T130] l: Chiều dài ống lò l = 2,5 m d : Đường kính ống lò ol d = 0,545 m ol w: Tốc độ khói trong pass 1 w = 14 m/s ρ: Khối lượng riêng của khói ρ 0,116= kgs 2 /m 4
- Pass2: λ: Hệ số ma sát λ =0,02 [TL1-T130] l: Chiều dài ống lửa pass 2 l = 2,5 m dtr: Đường kính ống lò d tr =0,046m w: Tốc độ khói trong pass 2 w = 8 m/s ρ: Khối lượng riêng của khói ρ 0,116= kgs 2 /m 4
- Pass 3 λ: Hệ số ma sát λ =0,02 [TL1-T130] l: Chiều dài ống lửa pass 3 l = 2,8 m dtr: Đường kính ống lò d tr =0,046m
46 w: Tốc độ khói trong pass 3 w = 7 m/s ρ: Khối lượng riêng của khói ρ 0,116= kgs 2 /m 4
- Tại đầu ra của Pass 1: ξ : Hệ số trợ lực cục bộ ξ = 1,1 [TL1-T142] w: Tốc độ khói trong pass 1 w = 14m/s ρ: Khối lượng riêng của khói ρ 0,116= kgs 2 /m 4
- Tại đầu vào Pass 2: ξ : Hệ số trợ lực cục bộ ξ = 2 [TL1-T165] w: Tốc độ khói vào pass 2 w = 6 m/s [TL6-T01] ρ: Khối lượng riêng của khói ρ 0,116= kgs 2 /m 4
- Tại đầu ra Pass 2: ξ : Hệ số trợ lực cục bộ ξ = 0,5 [TL1-T165] w: Tốc độ khói ra pass 2 Chọn w = 8 m/s [TL6-T01] ρ: Khối lượng riêng của khói ρ 0,116= kgs 2 /m 4
- Tại đầu vào Pass 3: ξ : Hệ số trợ lực cục bộ ξ = 2 [TL1-T165] w: Tốc độ khói vào pass 3 Chọn w = 5 m/s [TL6-T01] ρ: Khối lượng riêng của khói ρ 0,116= kgs 2 /m 4
- Tại đầu ra Pass 3: ξ : Hệ số trợ lực cục bộ ξ = 0,5 [TL1-T165] w: Tốc độ khói ra pass 3 w = 7 m/s ρ: Khối lượng riêng của khói ρ 0,116= kgs 2 /m 4
Vậy: cb cb1 cb2 cb3 cb4 cb5 Δh =Δh +Δh +Δh +Δh +Δh
3.6.4 Kiểm tra điều kiện hút tự nhiên của ống khói: Để đảm bảo điều kiện hút tự nhiên thì: h c 1, 2ΔH o b ρ 760 ΔH = Δh .
- Δh: Tổng các trở lực trên đường khói Δh Δh m Δh 8,537 22,853 31,33
- ρ :Khối lượng riêng của khói ở 0 o o C và 760 mmHg ρ = 0,12 kgs o 2 /m 4
- h : Áp suất khí quyển b h = 760 mmHg b [TL1-T169]
- h : Lực hút tự nhiên của ống khói c h c $,08 mmH2O
24,08 1, 2.2, 285 = 2,742 (Thỏa điều kiện hút tự nhiên)
Vậy lò hơi này không cần dùng quạt.
Tính toán sức bền lò hơi
3.7.1 Tính sức bền cho thân lò
- Vật liệu chế tạo: Thép CT3
- Đường kính trong thân lò d = 1700mm tl
- Áp suất tính toán: 12 bar
Nhiệt độ tính toán của vách thân lò
Thân lò hơi được thiết kế để không tiếp xúc trực tiếp với nhiệt và nằm ngoài đường khói Nhiệt độ tính toán của vách thân lò hơi được xác định dựa trên nhiệt độ hơi nước bão hòa ở áp suất thiết kế, với công thức tính: t = 170 + 4.0,01 + 30 = 200°C.
Trong tất cả các trường hợp, nhiệt độ vách của lò hơi không nên nhỏ hơn 250℃ Để xác định ứng suất cho phép của kim loại chế tạo thân lò, cần tính toán dựa trên nhiệt độ t và các yếu tố liên quan.
- 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 [TL1-180]
- σ : Ứng suất cho phép của thép CT3 (kg/mm * cp 2 )
Với t v %0 C o Tra bảng 9.2 [TL1-T78] ta cóσ = 12 kg/mm * cp 2
Vậy: σ = η.σ cp * cp =1.12 12= kg/mm 2
Tính chiều dày thân lò
Thân lò có dạng hình trụ, chịu tác động từ bên trong tl cp s = p.d 200.φ.σ - p+C [TL9-T09]
- p : Áp suất tính toán p = 12 bar
- d : Đường kính trong thân lò tr d = 1700mm tr
Sử dụng phương pháp hàn điện và hàn hơi bằng tayφ= 0,7 [TL1-182]
- σ :Ứng suất cho phép của kim loại cp σ = 12 kg/mm cp 2 tr cp p.d 12.1700 s = + C = + C = 12, 2 + C
Hay s = 12,2 + 1 = 13,2 mm Chọn chiều dày thực tế là 14 mm để đảm bảo bền
3.7.2 Tính sức bền cho ống lò
- Vật liệu chế tạo: Thép 20K
- Đường kính trong ống lò d = 545mm tr
- Áp suất tính toán 12 bar
Nhiệt độ tính toán của vách ống lò
Nhiệt độ tính toán của vách ống lò v bh t = t +4.S+60
Trong mọi trường hợp, nhiệt độ vách của lò hơi không nên thấp hơn 250℃ Để tính toán ứng suất cho phép của kim loại chế tạo ống lò, cần xem xét nhiệt độ t ở mức %0 o C.
- η: Hệ số đặc trưng về cấu tạo và những đặc biệt trong vận hành của các bộ phận lò hơi Ống lò bị đốt nóng η =0,5 [TL1-198]
- σ : Ứng suất cho phép của thép 20K (kg/mm * cp 2 )
Với t v %0 C o Tra bảng 9.2 ta cóσ = 13,2 kg/mm * cp 2 [TL1-T78] Vậy: σ = η.σ cp * cp =0,5.13,2 6,6= kg/mm 2
Tính chiều dày ống lò
Thân lò có dạng hình trụ, chịu tác động từ bên trong tr cp cp tr a.l.σ s = p.d 1+ + 2
- p : Áp suất tính toán p = 12 bar
- d : Đường kính trong ống lò lò tr d = 545mm tr
- σ : Ứng suất cho phép của kim loại cp σ = 6,6 kg/mm cp 2
- a: Ống đặt nằm ngang a = 6,25 [TL1-T197]
- l: Chiều dài của ống lò l = 2,5
Chọn chiều dày ống lò là 16 mm để đảm bảo bền
3.7.3 Tính sức bền cho ống lửa
- Vật liệu chế tạo: Thép C20
- Đường kính ngoài ống lửa d ng = 51mm
- Áp suất tính toán 12 bar
Nhiệt độ tính toán của vách ống lửa
Nhiệt độ tính toán của vách ống lửa v bh t = t +4.S 60 170+ = +4.0,025 30+ 0 o C
Trong mọi trường hợp, nhiệt độ vách của lò hơi không nên thấp hơn 250℃ Để tính toán ứng suất cho phép của kim loại chế tạo ống lửa, cần xác định nhiệt độ t ở mức 0°C.
- η: Hệ số đặc trưng về cấu tạo và những đặc biệt trong vận hành của các bộ phận lò hơi Ống lửa η = 0,7 [TL1-198]
- σ : Ứng suất cho phép của thép C20 (kg/mm * cp 2 )
Với t v %0 C o Tra bảng 9.2 ta cóσ = 13,2 kg/mm * cp 2 [TL1-T78]
Vậy: σ = η.σ cp * cp =0,7.13,2 9,24= kg/mm 2
Tính chiều dày ống lửa
Chiều dày tối thiểu của ống lửa chịu áp suất ngoài được xác định bằng công thức: ng cp s = p.d + C
- p: Áp suất tính toán p = 12 bar
- d : Đường kính trong thân lò ng d ng = 51mm
Sử dụng phương pháp hàn điện và hàn hơi bằng tay φ=0,7 [TL1-182]
- σ : Ứng suất cho phép của kim loại cp σ = 9,24 kg/mm cp 2
Vì S < 20mm Nên C = 1 [TL1-T180] Ta có: s = 0,47 + 1 = 1,47 mm
Bề dày vách chịu áp lực từ bên ngoài sẽ không nhỏ hơn các giá trị trên bảng sau Bảng 3.4 Bề dày tối thiểu của vách ống d mm ng 38 51 70 90 108
Smin 1,75 2 2,5 3 3,5 Đối với ống lửa 51mm Chọn ống có đường kính ngoài là 2,5 mm
3.7.4 Tính độ bền lỗ khoét trên thân nồi
- Vật liệu chế tạo: Thép CT3
- Chiều dày thân nồi: 10 mm
- Áp suất tính toán: 12 bar
- Đường kính trong thân lò: d = 1700mm tr
Lỗ khoét lớn nhất trên thân trụ không vượt quá 500 mm [TL7 – T77]
- Chọn kích thước: Hình Elip 300×400
- Ứng suất cho phép của kim loại σ = 12 kg/mm cp 2
Xác định hệ số bền vững
[TL9-T10] Đường kính lớn nhất của lỗ ψ = 063 > 0,5 Đường kính lớn nhất của lỗ không gia cường được xác định theo công thức: [TL1-T186]
Mà kích thước lỗ người chui là 300×400 mm nên lỗ người chui này phải được gia cường
Kích thước các chi tiết gia cường
Kích thước của các chi tiết gia cường phải thoả mãn các điều kiện:
- fn: diện tích gia cường bởi ống hàn nối vào thân mm 2
Bề dày của ống nối s = s = 8 mm [TL9-T10] n Chiều cao của ống nối n ng s 8
= 0,14 d 400 nên hn (d - s s =ng n ) n ( 400 - 8 8 = 56 ) mm [TL1-T189] Chọn h = 56 mm n n n n f = 2.h s =2.56.86mm
- f : Diện tích gia cường bởi miếng ốp op
Bề dày của miếng ốp 6 mm
Chiều rộng của miếng ốp
- f : Diện tích gia cường bởi mối hàn, có thể bỏ qua ha f = 0 [TL9-T10] ha
- d: Đường kính lỗ khoét thực tế d = 300 mm
- dm Đường kính lỗ khoét lớn nhất không cần gia cường dm = 171,28 mm
- So: Chiều dày nhỏ nhất của thân tr o cp p.d 12.1700
Các chi tiết gia cương thoả mãn yêu cầu bài toán đưa ra
3.7.5 Tính bền cho mặt sàn
- Vật liệu chế tạo: Thép 20 K
- Chiều dày mặt sàn sơ bộ 16mm
Phần mặt sàn có các ống lửa Để đảm bảo tính chắc chắn của mối nong chiều dày tối thiểu được xác định theo công thức sau dng 51 s = 5 + = 5 + = 11,38
Vậy chiều dày mặt sàn là 16mm
Phần mặt sàn không có ống lửa o cp s = 0,5.d p
- d: Đường kính của vòng tròn lớn nhất có thể vẽ lên vách phẳng đi qua tâm của cac thanh giằng d = 300 mm
- σ :Ứng suất cho phép cp σ = η.σ cp * cp =0,85.12 9,84Với o t = 250 C Tra bảng 9.2 ta có v σ = 12 kg/mm * cp 2 [TL1-T78] η= 0,85
Vậy chiều dày mặt sàn là 18 mm
3.7.6 Tính toán lớp bảo ôn cho Lò hơi Đối với vật liệu bảo ôn sửa dụng cho trong chế tạo lò hơi những tính chất sau đây có ý nghĩa đặc biệt quan trọng: độ kín, tính xốp, tính đàn hồi, tính chịu nhiệt, nhiệt dung riêng, độ dẫn nhiệt, tính bền chịu nhiệt độ, tính chịu lửa, đồ bền nhiệt, độ bền chịu xỉ đóng, tính thẩm khí
Sử dụng vật liệu bảo ôn cho lò hơi là bông thuỷ tinh (bông khoáng): gồm những sợ thuỷ tinh do nấu chảy đá khoáng, xỉ hay thuỷ tinh
Mật độ dòng nhiệt là: v kkl bo kl kl bo θ - θ q = δ δ λ +λ Trong đó:
- θ : Nhiệt độ vách thân lò v θ %0 v o C
- θ : Nhiệt độ môi trường kkl θ 0 kkl o C
- δ : Bề dày lớp kim loại thân lò kl δ = 10mm kl
- λ : Hệ dố dẫn nhiệt của thép CT3 ở 250 kl o C λ F,5 W/m.độ kl
- δ : Bề dày của lớp bảo ôn bo
- λ : Hệ số dẫn nhiệt của lớp bảo ôn bo
Lớp bảo ôn sử dụng là bông thuỷ tinh có λ =0,049 W/m.độ bo
- Q: Nhiệt lượng tổn thất qua vách Q = Q5 1,587 W/m 2
- F: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
Lò hơi có đường kính d = 1700mm, chiều dày thân lò 10mm chiều dài lò hơi 3600mm Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt tại vách là
57 v kkl bo bo bo kl kl bo θ - θ 250 - 30 q = = = 256,39 δ = 0,032m δ δ δ 10
Vậy chiều dày của lớp bảo ôn là 32 mm
Bảng 3.5 Kết quả tính toán các kích thước của lò hơi
Thông số tính toán Giá trị Đơn vị Vật liệu chế tạo
Chiều dài thân lò hơi 3600 mm Thép CT3 Đường kính trong thân lò hơi 1700 mm
Chiều dày thân lò 14 mm
Chiều dài ống lò 2500 mm Thép 20K Đường kính ngoài ống lò 545 mm
Chiều dày ống lò 16 mm Đường kính ngoài ống lửa 51 mm
Chiều dày ống lửa 2,5 mm Thép C20
Số ống lửa pass 2 22 ống
Chiều dài ống lửa pass 2 2500 mm Thép C20
Số ống lửa pass 3 32 ống
Chiều dài ống lửa pass 3 2800 mm Thép C20
Chiều dày lớp bảo ôn 32 mm Bông thuỷ tinh
Chiều dày mặt sàn 18 mm Thép 20K
Lỗ khoét thân nồi 300*400 mm
TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ VÀ XỬ LÝ NƯỚC TRONG LÒ HƠI
Tính chọn các thiết bị phụ trong lò hơi
Lò hơi hoạt động ở nhiệt độ cao, dễ dẫn đến hư hỏng thiết bị, ảnh hưởng đến kinh tế kỹ thuật và an toàn của người vận hành Van an toàn đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát áp suất làm việc của môi chất, đảm bảo không vượt quá giới hạn cho phép, từ đó bảo vệ thiết bị hoạt động an toàn và bền bỉ.
Khi lò hơi hoạt động bình thường, van an toàn sẽ đóng lại Tuy nhiên, khi áp suất vượt quá mức cho phép, van an toàn tự động mở ra để xả bớt hơi, giúp giảm áp suất về mức an toàn Sau khi áp suất được điều chỉnh, van an toàn sẽ tự động đóng lại.
Vị trí đặt van an toàn: Trong lò hơi van an toàn được đặt ở vị trí cao nhất khoang hơi của bao hơi
Lò hơi có áp suất 8 at nên chọn 2 van lò xo, 1 van làm việc còn 1 van kiểm tra
Xác định kích thước van n.d.h = A.D p
- n: Số lượng van an toàn n = 2
- d: Đường kính trong của lỗ van (cm)
- h: Chiều cao nâng lên của van
Van nâng lên không hoàn toàn nên d = 20h [TL2-T302]
Van nâng lên không hoàn toàn A = 0,0075
- p: Áp suất tuyệt đối của hơi p = 8 at = 8,27 kg/cm 2
Vậy đường kính của van là
Chọn van an toàn có đường kính 32 mm
Ống thuỷ là thiết bị quan trọng trong lò hơi, dùng để theo dõi mức nước, kết nối theo nguyên tắc bình thông nhau giữa khoang hơi và khoang nước Ống thuỷ sáng cho phép quan sát mức nước qua ống thuỷ tinh hoặc tấm thuỷ tinh, và đều có khả năng chịu nhiệt Theo quy định an toàn, mỗi lò hơi cần ít nhất hai ống thuỷ độc lập Đối với lò hơi nhỏ với diện tích bề mặt đốt dưới 100 m², có thể thay thế một ống thuỷ sáng bằng ống thuỷ tối, thường có 3 van để kiểm soát mức nước cao nhất, trung bình và thấp nhất.
Có hai loại ống thủy : ống thủy tròn và ống thủy dẹp
- Ống thủy tròn có cấu tạo đơn giản nhưng rất dễ vỡ
Ống thủy dẹp có cấu tạo phức tạp, nhưng lại rất tiện lợi và an toàn trong quá trình làm việc nhờ vào khung bảo vệ bằng kim loại.
Ta chọn ống thuỷ dẹp có chiều dài 220 mm
Áp kế là thiết bị quan trọng dùng để đo áp suất hơi và nước trong lò hơi, thường được lắp đặt ở vị trí cao nhất Để đảm bảo hiệu quả đo lường, cần có van ba ngã và ống xi phông trên đường nối từ bao hơi đến áp kế Ống xi phông chứa nước hoặc không khí nhằm mục đích bảo vệ thiết bị.
61 đồng hồ được thiết kế để chống lại sự phá hủy của môi chất Tại ngã ba của van, đồng hồ mẫu sẽ được kết nối để kiểm tra độ chính xác và xác định xem đồng hồ hiện tại có hoạt động hiệu quả hay không.
Áp kế có thang chia độ được chọn theo áp suất làm việc của lò, thường là 1,5 lần áp suất tối đa, với đường kính mặt áp kế không nhỏ hơn 150 mm Để đảm bảo an toàn, áp kế của nồi hơi cần được kiểm định và niêm chì hàng năm hoặc sau mỗi lần sửa chữa.
Ta chọn áp kế có thang đó là 12 at đường kính 150 mm [TL7-T20]
Bơm nước cấp đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước cho lò hơi trong suốt quá trình hoạt động Mỗi lò hơi thường cần ít nhất hai bơm để đảm bảo hoạt động liên tục và hiệu quả.
Cấu tạo của bơm nước cấp: Có hai loại bơm cấp, bơm piston và bơm ly tâm
Bơm pistong là loại bơm có khả năng tạo áp suất cao nhưng sản lượng hơi không lớn, thường được sử dụng cho các lò hơi có áp suất nhỏ Trong các xí nghiệp công nghiệp, bơm pittong chạy bằng hơi thường được lắp đặt cho các lò hơi nhỏ, đóng vai trò là bơm dự trữ trong trường hợp mất điện.
Bơm ly tâm: Các lò hơi của nhà máy nhiệt điện thường làm việc ở áp suất cao nên phải dung bơm ly tâm nhiều cấp
Nhiệt độ nước cấp là 30 o C Tra bảng thông số vật lý của nước [TL4-T520]
Lưu lượng của bơm: b lh
Q = = = 1,04 ρ 995,7 m 3 /h [TL10-T04] Vậy lưu lượng của bơm là Q = 1,15.Q b lh =1,15.1,04 1, 2= m 3 /h
Tổng cột áp của bơm
5 lh p 8.10 h = = = 81,9 ρ.g 995,7.9,81 mH2O [TL10-T05] Vậy tổng cột áp của bơm là h = 1,1.h b lh =1,1.81,9,09 mH2O
Tra catalog bơm Ebara ta chọn bơm Ebara EVM 10 10N5/4.0 thông số kỹ thuật được thể hiện trong bảng 4.1 [TL11-T01]
Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của bơm nước
Công suất kW 4 Đường kính ống hút mm 49 Đường kính ống xả mm 49
4.1.5 Điều khiển mức nước Lò hơi
Mực nước là yếu tố quan trọng cần được theo dõi và kiểm soát để đảm bảo lò hơi hoạt động an toàn và hiệu quả Việc duy trì mức nước ổn định trong lò hơi là cần thiết để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Mực nước quá thấp trong ống lò hơi có thể dẫn đến tình trạng quá nhiệt, gây hư hỏng cơ học nghiêm trọng như nóng chảy và sập lò Ngoài ra, việc cấp nước vào khi các đường ống vẫn còn nông có thể làm tăng nguy cơ nổ lò.
Một điểm quan trọng cần chú ý là mức nước trong thùng phuy Nếu mực nước quá cao, có thể gây hỏng thiết bị hạ lưu và dẫn đến việc vận chuyển nước không hiệu quả Điều này cũng ảnh hưởng đến hoạt động của dải phân cách, làm khó kiểm soát nhiệt độ và có thể dẫn đến hiện tượng búa nước.
Để duy trì mức nước ổn định trong lò hơi, lượng nước vào phải tương ứng với lượng hơi thoát ra Thông tin về nguyên tắc hoạt động, yêu cầu lắp ráp, cũng như ưu và nhược điểm của hệ thống kiểm soát mực nước rất quan trọng Bỏ qua những yếu tố này có thể dẫn đến ứng dụng không hiệu quả, bảo trì không thường xuyên, hoạt động không an toàn và hiệu suất hệ thống kém.
Hình 4.1 Vị trí bộ điều khiển mức nước cho lò hơi Ở đây Lò hơi được sử dụng bộ điều khiển cảnh báo dạng điện cực
Kiểm soát nước cấp là quá trình điều khiển máy bơm nước bật và tắt dựa trên lệnh từ đầu dò mức Máy bơm sẽ khởi động khi mực nước giảm xuống mức thấp quy định và dừng hoạt động khi mực nước đạt đến mức cao đã xác định.
64 Hình 4.2 Cảm biến đo mức nước
Xử lý nước cho lò hơi
4.2.1 Mục đích của việc xử lý lước cấp cho lò hơi
Sự làm việc chắc chắn, ổn định của lò hơi phụ thuộc vào chất lượng nước cấp vào cho lò để sinh hơi
Nước cấp cho lò hơi thường chứa nhiều tạp chất từ thiên nhiên, bao gồm các ion Ca, Mg, Na, K và các hợp chất như HCO, SO, cũng như các tạp chất lỏng và khí như O2, CO2, H2S Khi nước sôi và bốc hơi trong lò, các muối sẽ kết tụ lại thành bùn hoặc cáu bám vào vách ống, gây cản trở truyền nhiệt Những cáu bám này có hệ số dẫn nhiệt thấp, dẫn đến giảm khả năng truyền nhiệt từ khói đến môi chất, làm giảm hiệu suất lò hơi và tăng lượng nhiên liệu tiêu hao.
Cáu bám trên vách ống sẻ làm gia tăng tốc độ ăn mòn kim loại, dẫn đến hiện tượng ăn mòn cục bộ Khi cáu bám tích tụ trên các ống sinh hơi và ống của bộ quá nhiệt, nhiệt độ vách ống sẽ tăng cao, làm giảm tuổi thọ của ống Trong một số trường hợp, nhiệt độ vách ống có thể vượt quá mức cho phép, gây ra nguy cơ nổ ống.
Trong nước, bên cạnh các chất sinh cáu, còn tồn tại các khí hòa tan như O2 và CO2, những loại khí này có khả năng gây ăn mòn mạnh mẽ cho bề mặt ống kim loại của lò.
Việc xử lý nước trước khi cấp vào lò hơi là cần thiết để bảo vệ lò hơi và đảm bảo an toàn trong quá trình hoạt động của nó.
- Ngăn ngừa việc bám cáu ở trên tất cả các bề mặt đốt và thiết bị trao đổi nhiệt
- Duy trì độ sạch của hơi ở mức cần thiết
- Ngăn ngừa quá trình ăn mòn kim loại ở bên trong nồi hơi, thiết bị sử dụng hơi và đường ống dẫn hơi
4.2.2 Tiêu chuẩn về chất lượng nước cấp Để tránh tác hại của các tạp chất trong nước gây nên đối với nồi hơi, người ta thường quy đinh chất lượng nước hoặc độ dày lớp cáu cặn cho phép Đối với nồi hơi nhỏ khoảng 2T/h áp suất dưới 16 bar, chiều dày lớp cáu cặn không quá 1mm, áp suất từ 16 – 22 bar không được quá 0,5 mm Đối với nồi hơi lớn hơn, nước cấp phải đạt tiêu chuẩn sau: Độ cứng của nước thể hiện là nồng độ các ion Ca , Mg có trong nước, được kí hiệu 2+ 2+ là Ho Độ cứng cho phép của nước trong lò hơi phụ thuộc vào thông số hơi của lò, lò hơi có thông số càng cao thì yêu cầu chất lượng nước cấp càng cao, nghĩa là nồng độ các tạp chất trong nước cấp phải thấp
Với lò hơi ống lò ống lửa: H o 0,5 mgdl/l
Với nồi hơi ống nước p < 16 bar 0,3 < H o 0,5 mgdl/l p = 16 ÷ 32 bar: H o 0,3 mgdl/l Lượng oxy trong nước không vượt quá 0,03 mg/l khi p < 32 bar
Các tạp chất khác cũng nằm trong phạm vi quy định
Bảng 4.2 Chất lượng nước cấp cho lò hơi TCVN 7704-2007
Các chỉ tiêu Nhiên liệu sử dụng (Lỏng) Độ trong suốt không nhỏ hơn (cm) 40 Độ cứng toàn phần μgdl / kg 30
Hàm lượng oxy hoà tan (đối với nồi có công suất từ 2t/h trở lên) 50
4.2.3 Phương pháp xử lý nước cấp cho lò hơi
Xử lý cơ học là phương pháp sử dụng bình lọc cơ khí để tách các tạp chất lơ lửng trong nước Tuy nhiên, phương pháp này chỉ có khả năng loại bỏ các tạp chất cơ khí mà không xử lý được các chất ô nhiễm khác trong nước.
Xử lý độ cứng nước là quá trình giảm thiểu nồng độ các tạp chất gây cáu bẩn, giúp hòa tan chúng vào nước Phương pháp cụ thể được sử dụng trong việc này là trao đổi ion, với NaR là chất chính trong quá trình xử lý.
Hình 4.3 Xử lý nước cấp cho lò hơi
1- Bộ lọc cơ khí 2- Bộ làm mềm nước
Hình 4.4 Cấu tạo bộ lọc nước
1-Van ba cửa 2- Than hoạt tính 3- Mangan 4- Nâng PH 5- Cát thạnh anh 6- Sỏi thạnh anh
Mục đích: Lọc cẩn bẩn trong nước để đạt tiêu chuẩn nước sinh hoạt
Làm mềm nước bằng phương pháp trao đổi cation
Hình 4.5 Cấu tạo bộ làm mềm nước
1- Lớp sỏi lọc 2- Bộ khuếch tán 3- Ống dẫn 4-Ống xả 5-Vỏ cột lọc 6-Đường nước vào 7-Valve tự động 8- Đường nước ra 9-Ống hút muối 10-Thùng muối 11- Muối
Quá trình trao đổi ion trong cột lọc giúp loại bỏ độ cứng của nước nhờ vào vật liệu lọc chứa các hạt trao đổi ion Sau khi trải qua quá trình này, nước được làm mềm và sẵn sàng cho sử dụng, với cation NaR là một thành phần quan trọng trong quá trình xử lý.
Các phương trình phản ứng xảy ra
- 2NaR + Ca(HCO3)2 →CaR2 + 2NaHCO3
- 2NaR + CaSO4 → CaR2 + Na2SO4
- 2NaR + Mg(HCO3)2 →MgR2 + 2NaHCO3
- 2NaR + MgSO4 → MgR2 + Na2SO4
Do quá trình trao đổi cation mà độ cứng còn lại của nước giảm đến 10 μgdl / kg và thấp hơn
- Quá trình tái sinh (rửa ngược)
Rửa ngược vật liệu lọc là quá trình quan trọng để làm sạch và loại bỏ cặn bẩn, mảng bám trên các hạt trao đổi ion và thành cột lọc Sau khi hoàn tất quá trình này, nước sẽ được xả ra ngoài, đảm bảo hiệu quả lọc tốt hơn.
Quá trình tái sinh (hút muối) là quá trình rửa xuôi, trong đó muối từ các bồn chứa được bơm vào cột lọc để tái sinh vật liệu lọc Sau khi hoàn tất, nước sẽ được xả bỏ.
- Quá trình tái sinh (Rửa muối)
Nước được hút vào bể lọc và tiến hành quá trình rửa muối Nước sau quá trình được thải ra ngoài
- Quá trình tái sinh (trả nước về bồn muối)
Nước được bơm vào cột lọc và sau đó trở về thùng chứa muối tái sinh Để hoàn nguyên NaR, cần sử dụng NaCl với nồng độ từ 6 đến 8% Các phương trình phản ứng sẽ diễn ra trong quá trình này.