Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nhiệt năng đóng vai trò thiết yếu trong hoạt động sản xuất công nghiệp và đời sống xã hội, trong đó công nghệ sinh hơi và vận chuyển hơi nước đến các hộ tiêu thụ là khâu kỹ thuật then chốt. Sự phát triển của thiết bị sinh hơi trải qua quá trình cải tiến kỹ thuật lâu dài từ các mô hình sơ khai (như quả cầu quay hơi nước aelopile của Hero năm 200 TCN, bánh xe hơi nước của Branca năm 1600, nồi hơi áp lực của Denis Papin năm 1680, hệ thống bơm hơi nước của Thomas Savery năm 1698, máy hơi nước Newcomen - Cowly năm 1711, nồi hơi tách rời động cơ của James Watt năm 1769 và kết cấu nồi hơi thân trụ đáy tròn chịu áp lực cao của Trevithick năm 1804). Đi đôi với lợi ích năng lượng, thiết bị lò hơi vận hành ở nhiệt độ và áp suất cao tiềm ẩn rủi ro cháy nổ kỹ thuật nghiêm trọng; tài liệu lịch sử năm 1880 tại Mỹ đã ghi nhận 170 vụ nổ lò hơi khiến 250 người tử vong và 555 người bị thương. Do đó, việc tính toán thiết kế lò hơi chính xác, bảo đảm an toàn vận hành và đạt hiệu suất nhiệt cao là yêu cầu bắt buộc trong kỹ thuật nhiệt.

Đồ án tốt nghiệp môn học Lò hơi công nghiệp của tác giả Huỳnh Văn Vũ (Khoa Cơ khí, Bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Trường Đại học Nha Trang, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Phúc) tập trung giải quyết bài toán thiết kế một hệ thống lò hơi công suất nhỏ, vận hành bằng nhiên liệu khí hóa lỏng (gas), phục vụ nhu cầu cung cấp hơi nhiệt cho một công ty chế biến thủy sản.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm 6 nội dung:

  1. Nghiên cứu tổng quan lịch sử phát triển cấu tạo, phân loại các chủng loại lò hơi công nghiệp và lựa chọn phương án thiết kế kết cấu lò hơi phù hợp với đặc thù sản xuất thủy sản.
  2. Xác định các thông số thiết kế ban đầu và lập bảng tính toán nhiệt quá trình cháy của nhiên liệu gas (thể tích không khí lý thuyết, thực tế, thành phần và entanpi khói thải, cân bằng nhiệt, tính toán các tổn thất nhiệt và hiệu suất nhiệt của lò hơi).
  3. Tính toán các kích thước nhiệt - hình học của buồng lửa (chiều dài, đường kính, diện tích bề mặt bức xạ, thể tích buồng đốt, nhiệt thế thể tích, nhiệt thế diện tích và nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa).
  4. Tính toán phụ tải nhiệt, lựa chọn béc đốt gas công nghiệp chuyên dụng, xác lập sơ đồ cụm van truyền động cấp gas Multibloc và tính chọn quạt gió cấp khí cháy.
  5. Thiết kế hệ thống bồn chứa nhiên liệu gas ngầm và tính toán thiết kế bề mặt truyền nhiệt của bộ hâm nước (economizer) dạng chùm ống thép trơn đặt so le nhằm tận dụng nhiệt khói thải.
  6. Tính toán khí động học đường khói, xác định các tổn thất áp suất (ma sát, cục bộ, động học, ảnh hưởng tro bụi, áp suất thủy tĩnh tạo lực tự hút) và lựa chọn giải pháp thoát khói bằng ống khói thông gió tự nhiên.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống lò hơi công nghiệp kiểu ống lò - ống lửa 2 pass nằm ngang đốt nhiên liệu khí gas.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế hệ thống sinh hơi công suất định mức $D = 340\text{ kg/h}$, áp suất làm việc $p = 6\text{ bar}$, cấp hơi bão hòa cho quy trình chế biến tại nhà máy thủy sản; địa điểm thực hiện tại Bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt - Trường Đại học Nha Trang, hoàn thành tháng 02 năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý nhiệt động lực học kỹ thuật, lý thuyết truyền nhiệt bức xạ - đối lưu và phương pháp tính toán cân bằng nhiệt lò hơi tiêu chuẩn được giảng dạy trong chuyên ngành kỹ thuật nhiệt (tham chiếu tài liệu Thiết kế lò hơi của TS. Nguyễn Thanh Hào):

  • Khung lý thuyết cân bằng nhiệt: Thiết lập phương trình cân bằng giữa tổng nhiệt lượng dẫn vào lò ($Q_l^0$) và nhiệt lượng hữu ích tạo hơi ($Q_1$) cùng 5 thành phần tổn thất nhiệt tương đối ($q_2$: tổn thất do khói thải; $q_3$: tổn thất do cháy hóa học không hoàn toàn; $q_4$: tổn thất do cháy cơ học không hoàn toàn; $q_5$: tổn thất do tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh; $q_6$: tổn thất nhiệt do xỉ mang ra). Hiệu suất lò hơi được xác định theo phương pháp gián tiếp qua công thức $\eta = 100 - \sum q_i$.
  • Lý thuyết truyền nhiệt buồng lửa: Phương pháp xác định bức xạ ngọn lửa trong không gian buồng đốt kín, tính toán hệ số làm yếu tia bức xạ của hỗn hợp khí ba nguyên tử ($k$), độ đen của môi trường buồng lửa ($a$), độ đen hiệu dụng ($a'$), độ dày đặc của dàn ống ($\psi$) và nhiệt độ khói ra khỏi buồng đốt ($\theta''_{1\text{tính}}$).
  • Phương pháp tính toán thực tế:
    • Phương pháp phân tích phản ứng cháy hóa học từ thành phần làm việc của nhiên liệu khí hỗn hợp để suy ra lượng oxy và không khí cần thiết ($V^0, V_{kk}$), cũng như thể tích sản phẩm cháy ($V_{spc}$).
    • Phương pháp tra cứu số liệu nhiệt động: Sử dụng bảng entanpi của không khí và sản phẩm cháy theo nhiệt độ, bảng thông số nước sôi và hơi bão hòa khô theo áp suất chuẩn ($p = 6\text{ bar} = 6{,}12\text{ at}$).
    • Phương pháp tính toán thủy lực - khí động học đường dẫn khói: Công thức Darcy tính trở lực ma sát dọc đường ống trơn kỹ thuật theo chuẩn số Reynolds ($\Re$), trở lực cục bộ qua trở lực biểu kiến ($\xi$), trở lực động học dòng khí chứa bụi và trở lực cột áp thủy tĩnh ($\Delta h_{tt}$) sinh ra do chênh lệch khối lượng riêng giữa khói nóng và không khí lạnh xung quanh.
  • Nguồn dữ liệu: Thành phần phần trăm thể tích của nhiên liệu gas làm việc ($C_3H_8, CH_4, H_2, CO, N_2, O_2, W$); catalogue thiết bị béc đốt công nghiệp hãng Riello (Italy); catalogue quạt ly tâm KVC; các hệ số thực nghiệm truyền nhiệt và khí động từ giáo trình chuyên ngành kỹ thuật nhiệt.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống lò hơi công nghiệp 340 kg/h được thiết kế theo cấu trúc module đồng bộ giữa thiết bị sinh hơi chính và các hệ thống phụ trợ:

  • Thân lò và buồng sinh hơi: Lò hơi dạng nằm ngang, phối hợp ống lò và cụm ống lửa theo nguyên lý 2 pass (lửa quặt). Buồng đốt dạng trụ tròn kích thước $\varnothing 0{,}5\text{ m} \times 1{,}6\text{ m}$ đặt bên trong thân lò chứa nước, tiếp nhận ngọn lửa phun từ béc đốt; dòng khói nóng sau khi đi hết chiều dài ống lò sẽ quay ngược 180 độ đi vào cụm ống lửa pass thứ hai trước khi thoát ra hộp khói sau.
  • Cụm thiết bị cấp nhiên liệu khí: Bồn chứa gas ngầm thể tích $10\text{ m}^3$ được chôn dưới đất, bọc cách nhiệt bảo ôn dày $40\text{--}100\text{ mm}$, trát vữa xi măng và bọc tôn mạ kẽm. Tuyến ống thép dẫn gas lên béc đốt tích hợp cụm thiết bị Multibloc hoàn chỉnh gồm 15 chi tiết: đường ống cấp gas, van khóa tay, khớp nối chống rung, đồng hồ đo áp suất có nút bấm kiểm tra, bộ lọc tinh khí gas, bộ điều áp tự động, công tắc bảo vệ áp suất gas tối thiểu, van điện từ an toàn VS, van điện từ điều chỉnh lưu lượng VR, gioăng đệm và mặt bích, van bướm điều chỉnh lượng gas, béc đốt Riello RL 38/M TC FS1, đầu nối khớp chuyển béc đốt và công tắc áp suất gas tối đa kèm 3 điểm đo áp suất kỹ thuật ($P_1, P_2, P_3$).
  • Cụm cấp gió cháy: Quạt ly tâm KVC - 240 công suất động cơ $240\text{ W}$, cung cấp lưu lượng gió $500\text{ m}^3/\text{h}$ ở cột áp toàn phần $550\text{ Pa}$, điều tiết gió lạnh môi trường cấp trực tiếp vào béc đốt với hệ số không khí thừa $\alpha = 1{,}1$.
  • Thiết bị thu hồi nhiệt khói (bộ hâm nước - Economizer): Lắp đặt tại vị trí đuôi đường khói thải, sử dụng ống thép trơn đường kính ngoài $d = 32\text{ mm}$ (DN32) uốn so le 2 dãy, dòng nước cấp đi bên trong ống từ trên xuống dưới và dòng khói nóng bao bọc cắt ngang bên ngoài ống từ dưới lên trên nhằm tối đa hóa độ chênh nhiệt độ trao đổi ngược chiều.
  • Hệ thống thoát khói và thông gió: Đường ống dẫn khói đường kính trong $0{,}34\text{ m}$, chiều dài $10\text{ m}$, kết nối với ống khói cao $5\text{ m}$ vận hành theo cơ chế tự hút tự nhiên thông qua chênh lệch áp suất thủy tĩnh.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về lò hơi và chọn phương án thiết kế

Chương 1 trình bày lịch sử cải tiến cấu tạo lò hơi nhằm giải quyết yêu cầu tăng sản lượng hơi, nâng cao áp suất và tiết kiệm kim loại chế tạo (chuyển đổi từ lò vỏ trụ sang lò ống nước nằm ngang có buồng nước hình hộp, lò ống nước có bao hơi đặt ngang/dọc, và lò ống nước đứng có mối liên kết uốn cong). Tác giả tổng hợp hệ thống phân loại lò hơi theo 8 tiêu chí:

  • Sản lượng hơi: Lò nhỏ ($< 20\text{ T/h}$), lò trung bình ($20\text{--}75\text{ T/h}$), lò lớn ($> 75\text{ T/h}$).
  • Thông số hơi: Thông số thấp ($p < 15\text{ bar}, t < 350^\circ\text{C}$), trung bình ($15\text{--}60\text{ bar}$ hoặc $> 60\text{ bar}, t = 350\text{--}540^\circ\text{C}$), siêu cao ($p > 140\text{ bar}$).
  • Chế độ chuyển động nước: Đối lưu tự nhiên, tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức bội số lớn, và đối lưu cưỡng bức (lò trực lưu).
  • Phương pháp đốt: Đốt theo lớp (ghi cố định, ghi xích thuận/nghịch), đốt phun, đốt đặc biệt (buồng lửa xoáy ly tâm, buồng lửa tầng sôi).
  • Tiêu chí khác: Trạng thái xỉ (thải khô/thải lỏng); áp suất buồng lửa (áp suất âm, áp suất dương như lò Vêlôc hiệu suất 92%); phương thức lắp đặt (di động, tĩnh tại); công dụng (cấp nhiệt, động lực); bề mặt truyền nhiệt (ống lò, ống lửa, ống nước).

Từ khảo sát công nghệ và đặc thù sản xuất của cơ sở chế biến thủy sản, tác giả quyết định lựa chọn phương án: Nồi hơi ống lò - ống lửa 2 pass nằm ngang. Phương án này sở hữu ưu điểm kích thước nhỏ gọn, chi phí chế tạo thấp hơn lò ống nước, dung tích chứa nước lớn giúp thích ứng tốt với sự dao động phụ tải hơi đột ngột. Nhược điểm đi kèm gồm: thời gian nâng áp lâu khi nhóm lò, áp suất làm việc bị giới hạn do hơi và nước chung một thân trụ, độ khô của hơi bão hòa không tuyệt đối và đòi hỏi kiểm soát an toàn nghiêm ngặt để chống nổ thân áp lực.

Chương 2: Các thông số ban đầu và tính toán nhiệt cho lò hơi

Chương 2 thiết lập các phép tính nhiệt hóa học và cân bằng năng lượng chi tiết từ bộ thông số thiết kế ban đầu: công suất hơi $D = 340\text{ kg/h}$, áp suất làm việc $p = 6\text{ bar}$ ($6{,}12\text{ at}$), nhiệt độ nước cấp $t_{nc} = 27^\circ\text{C}$, nhiệt độ môi trường xung quanh $t_{mt} = 29^\circ\text{C}$.

Nhiên liệu khí gas có thành phần làm việc gồm: $3%\text{ C}_3\text{H}_8$; $26%\text{ CH}_4$; $53%\text{ H}_2$; $6%\text{ CO}$; $10%\text{ N}_2$; $1{,}82%\text{ O}_2$; $0{,}18%\text{ W}$.

  • Nhiệt trị thấp làm việc tính toán: $Q_{th}^{lv} = 18525{,}56\text{ kJ/m}^3 = 4424{,}8\text{ kcal/m}^3\text{tc} = 1958{,}70\text{ kcal/kg}$.
  • Cân bằng phản ứng cháy: Lượng tiêu hao oxy lý thuyết $O_{min} = 0{,}95\text{ m}^3\text{tc/m}^3\text{tc}$; thể tích không khí lý thuyết $V^0 = 4{,}52\text{ m}^3\text{tc/m}^3\text{tc}$. Với hệ số không khí thừa buồng lửa $\alpha = 1{,}1$, thể tích không khí thực tế tiêu hao là $V_{kk} = 4{,}972\text{ m}^3\text{tc/m}^3\text{tc}$; tổng thể tích sản phẩm cháy thực tế đạt $V_{spc} = 5{,}645\text{ m}^3\text{tc/m}^3\text{tc}$ ($V_k = 5{,}652\text{ m}^3\text{tc/m}^3\text{tc}$).
  • Cân bằng nhiệt và hiệu suất: Tổng nhiệt lượng dẫn vào lò từ $1\text{ m}^3\text{tc}$ gas là $Q_l^0 = 4424{,}8\text{ kcal/m}^3\text{tc}$.
Thành phần cân bằng nhiệt Ký hiệu Giá trị tương đối (%) Nhiệt lượng tuyệt đối
Tổn thất do khói thải mang ra ($t_{k} = 350^\circ\text{C}$) $q_2$ $13{,}56%$ $600\text{ kcal/m}^3\text{tc}$
Tổn thất do cháy hóa học không hoàn toàn $q_3$ $1{,}50%$ $66{,}4\text{ kcal/m}^3\text{tc}$
Tổn thất do cháy cơ học không hoàn toàn (đốt gas) $q_4$ $0{,}00%$ $0\text{ kcal/kg}$
Tổn thất do tỏa nhiệt qua bề mặt ra môi trường $q_5$ $3{,}50%$ $154{,}9\text{ kcal/m}^3\text{tc}$
Tổn thất do nhiệt xỉ thải mang ra ngoài $q_6$ $0{,}00%$ $0\text{ kcal/m}^3\text{tc}$
Tổng các tổn thất nhiệt trong lò hơi $\sum q$ $18{,}56%$ $821{,}3\text{ kcal/m}^3\text{tc}$
Hiệu suất nhiệt của lò hơi $\eta$ $81{,}44%$ —

Kết quả tính toán tiêu hao nhiên liệu:

  • Nhiệt lượng hữu ích sinh hơi: $Q_1 = 3603{,}6\text{ kcal/m}^3\text{tc}$.
  • Entanpi nước cấp ở $27^\circ\text{C}$: $i_{nc} = 27{,}1\text{ kcal/kg}$ ($113{,}56\text{ kJ/kg}$).
  • Entanpi hơi bão hòa khô ở $6\text{ bar}$: $i_{bh} = 658{,}7\text{ kcal/kg}$ ($2758\text{ kJ/kg}$).
  • Lượng tiêu hao nhiên liệu thực tế: $B = 59{,}57\text{ m}^3/\text{h}$ (tương đương $134{,}62\text{ kg/h}$). Do $q_4 = 0%$, tiêu hao nhiên liệu tính toán $B_t = B = 59{,}57\text{ m}^3\text{tc/h}$.
  • Suất tiêu hao riêng nhiên liệu: $b = 0{,}06\text{ m}^3\text{tc}$ gas cho $1\text{ kg}$ hơi nước sinh ra. Hệ số bảo toàn nhiệt năng $\phi = 0{,}965$.

Chương 3: Tính toán kích thước lò hơi

Chương 3 xác định các thông số kích thước hình học và chỉ tiêu trao đổi nhiệt bức xạ của buồng lửa lò hơi:

  • Chiều dài ngọn lửa quy ước $l_f = 0{,}8\text{ m}$, đường kính ngọn lửa $D_f = 0{,}25\text{ m}$. Từ đó chọn kích thước hình học buồng đốt: chiều dài buồng lửa $L_{bd} = 2 l_f = 1{,}6\text{ m}$; đường kính trong buồng lửa $D_{bd} = 2 D_f = 0{,}5\text{ m}$.
  • Diện tích bề mặt vách buồng lửa tiếp nhận nhiệt bức xạ: $F_{bd} = \pi \cdot D_{bd} \cdot L_{bd} = \pi \cdot 0{,}5 \cdot 1{,}6 = 2{,}5\text{ m}^2$.
  • Thể tích không gian buồng đốt: $V_{bd} = \frac{\pi \cdot D_{bd}^2}{4} \cdot L_{bd} = \frac{\pi \cdot 0{,}5^2}{4} \cdot 1{,}6 = 0{,}314\text{ m}^3$.
  • Mật độ tải nhiệt thể tích buồng lửa: $q_v = \frac{B \cdot Q_t}{V_{bd}} = \frac{59{,}57 \cdot 4424{,}8}{0{,}314} = 839443{,}75\text{ kcal/m}^3\cdot\text{h}$.
  • Mật độ tải nhiệt diện tích buồng lửa: $q_s = \frac{B \cdot Q_t}{F_{bd}} = \frac{59{,}57 \cdot 4424{,}8}{2{,}5} = 105434{,}13\text{ kcal/m}^2\cdot\text{h}$.
  • Quá trình bức xạ ngọn lửa: Hệ số làm yếu tia bức xạ $k = 0{,}85$; hệ số màu sắc ngọn lửa $\beta = 1{,}0$; độ đen của môi trường buồng lửa $a = 0{,}32$; độ đen hiệu dụng $a' = 0{,}32$; độ đen buồng lửa $a_0 = 0{,}26$.
  • Nhiệt độ khói rời buồng lửa: Giá trị giải tích tính toán lý thuyết đạt $\theta''_{1\text{tính}} = 673^\circ\text{C}$; tác giả chọn nhiệt độ khói quy ước ra khỏi buồng lửa phục vụ tính truyền nhiệt tiếp theo là $500^\circ\text{C}$.

Chương 4: Tính và chọn hệ thống cấp nhiên liệu khí

Chương 4 thực hiện tính chọn thiết bị đốt và hệ thống cấp gió:

  • Công suất nhiệt danh định cần cấp cho buồng lửa trong 1 giờ: $$Q_h = \frac{Q_0^l \cdot B_t \cdot 4{,}186}{3600} = \frac{4424{,}8 \cdot 59{,}57 \cdot 4{,}186}{3600} = 306{,}5\text{ kW}$$
  • Đối chiếu công suất nhiệt $306{,}5\text{ kW}$ với catalogue béc đốt công nghiệp hãng Riello, tác giả lựa chọn béc đốt model RL 38/M TC FS1:
Model béc đốt Điện áp nguồn Dải công suất nhiệt (kW) Tiêu hao nhiên liệu (kg/h) Công suất điện (kW)
RL 28/M TC FS1 1 pha / 230V / 50Hz 90 / 166 – 332 7,5 / 14 – 28 0,4
RL 38/M TC FS1 (Được chọn) 3 pha / 230–400V / 50Hz 101 / 237 – 450 8,5 / 20 – 38 0,6
RL 50/M TC FS1 3 pha / 230–400V / 50Hz 130 / 296 – 593 11 / 25 – 50 0,8
RL 70/M TC FS1 3 pha / 230–400V / 50Hz 261 / 474 – 1043 22 / 40 – 88 1,4
RL 100/M TC FS1 3 pha / 230–400V / 50Hz 332 / 711 – 1482 28 / 60 – 125 2,1
RL 130/M TC FS1 3 pha / 230–400V / 50Hz 498 / 948 – 1779 42 / 80 – 150 2,6
RL 190/M TC FS1 3 pha / 230–400V / 50Hz 534 / 1423 – 2431 45 / 120 – 205 5,5
  • Tính chọn quạt gió cấp khí cháy: Với hệ số dự phòng lưu lượng $k_{gl} = 1{,}1$, nhiệt độ không khí $29^\circ\text{C}$, lưu lượng gió lý thuyết cần cấp là $V_g = 396{,}45\text{ m}^3/\text{h}$. Tác giả chọn quạt ly tâm mã hiệu KVC - 240 có năng suất định mức $500\text{ m}^3/\text{h}$, cột áp toàn phần $550\text{ Pa}$, công suất động cơ điện $240\text{ W}$.

Chương 5: Tính và chọn hệ thống xử lý nước cấp cho lò hơi

Chương 5 tính toán hệ thống tồn trữ nhiên liệu và bộ trao đổi nhiệt tiết kiệm năng lượng:

  • Bồn chứa gas công nghiệp: Chọn bồn dung tích $10\text{ m}^3$ chôn ngầm, đáp ứng dự trữ nhiên liệu vận hành từ 10 ngày đến 1 tháng, trang bị van an toàn, van nạp, đồng hồ áp kế và lớp vỏ cách nhiệt dày $40\text{--}100\text{ mm}$.
  • Tính toán thiết kế bộ hâm nước (Economizer): Sử dụng chùm ống thép trơn DN32 ($d = 32\text{ mm}$), bố trí so le nằm ngang để tăng hệ số truyền nhiệt đối lưu và hạn chế bám bẩn.
STT Đại lượng kết cấu và truyền nhiệt Ký hiệu Giá trị thiết kế Đơn vị
1 Đường kính ngoài của ống thép trơn $d$ $32$ mm
2 Bước ống ngang / bước ống dọc $S_1$ / $S_2$ $95$ / $60$ mm
3 Tỷ số bước ống tương đối ngang / dọc $S_1/d$ / $S_2/d$ $2{,}97$ / $1{,}875$ —
4 Chiều rộng / chiều cao tiết diện đường khói $a$ / $b$ $500$ / $1200$ mm
5 Số dãy ống / chiều dài mỗi ống $n_k$ / $l$ $2$ / $900$ dãy / mm
6 Tiết diện lưu thông của khói $F$ $0{,}15$ $\text{m}^2$
7 Tiết diện lưu thông của nước cấp trong ống $f$ $0{,}01$ $\text{m}^2$
8 Chiều dày hữu hiệu của lớp bức xạ khói $S$ $0{,}159$ m
9 Diện tích bề mặt hấp thụ trao đổi nhiệt $F_{hn}$ $0{,}86$ $\text{m}^2$
10 Lượng nhiệt truyền hấp thụ của bộ hâm nước $Q_{hn}$ $11267{,}8$ W
11 Nhiệt độ khói vào / khói ra bộ hâm nước $t'{hn}$ / $t''{hn}$ $500$ / $350$ $^\circ\text{C}$
12 Tốc độ khói trung bình qua chùm ống $\omega_k$ $7$ m/s
13 Nhiệt độ nước cấp vào / ra khỏi bộ hâm nước $t_{vn}$ / $t_{rn}$ $20$ / $70$ $^\circ\text{C}$
14 Entanpi nước cấp đầu vào / đầu ra $i'_v$ / $i'_r$ $21{,}14$ / $62{,}45$ kcal/kg

Chương 6: Tính thiết kế hệ thống xử lý và thoát khói

Chương 6 phân tích các trở lực khí động của dòng khói trên tuyến ống dẫn có chiều dài $l = 10\text{ m}$, đường kính trong $d = 0{,}34\text{ m}$, vận tốc khói $\omega = 7\text{ m/s}$:

  • Trở lực ma sát dọc đường ống: Hệ số nhớt động học $\nu = 76{,}3 \times 10^{-6}\text{ m}^2/\text{s}$, hệ số ma sát ống trơn $\lambda = 0{,}024$ (ứng với chuẩn số Reynolds $4000 \le \Re \le 10^5$), khối lượng riêng của khói ở $500^\circ\text{C}$ là $\rho = 0{,}457\text{ kg/m}^3$.
  • Trở lực cục bộ: Với hệ số trở lực cục bộ $\xi = 0{,}5$, khối lượng riêng khói ở nhiệt độ trung bình $360^\circ\text{C}$ là $\rho = 0{,}562\text{ kg/m}^3$.
  • Trở lực động học và bụi: Khối lượng riêng khói ở $220^\circ\text{C}$ là $\rho = 0{,}722\text{ kg/m}^3$; trở lực động học cơ bản $\Delta h_đ = 6\text{ Pa}$, khi nhân với hệ số ảnh hưởng nồng độ tro bụi $\mu = 0{,}21\text{ g/m}^3$ cho giá trị trở lực động thực tế $\Delta h_{d1} = 7{,}26\text{ N/m}^2$.
  • Lực tự hút thủy tĩnh của ống khói: Khối lượng riêng không khí $\rho_0 = 1{,}3\text{ kg/m}^3$, khoảng cách thẳng đứng giữa cửa vào và cửa ra $h_1 - h_2 = 5\text{ m}$, nhiệt độ khói trung bình $t_k = 360^\circ\text{C}$, áp suất khí quyển $760\text{ mmHg}$. Trở lực thủy tĩnh tính ra giá trị âm $\Delta h_{tt} = -31{,}36\text{ N/m}^2$, đóng vai trò là lực hút tự nhiên hỗ trợ khắc phục trở lực ma sát và trở lực chùm ống bộ hâm nước.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thiện toàn bộ chuỗi tính toán kỹ thuật cho lò hơi công nghiệp ống lò - ống lửa 2 pass, đưa ra các kết quả định lượng cụ thể:

  • Xác lập bảng thông số vận hành nhiệt: Lò hơi đạt sản lượng hơi định mức $340\text{ kg/h}$ ở áp suất bão hòa $6\text{ bar}$; hiệu suất nhiệt tính toán đạt $81{,}44%$ khi vận hành bằng nhiên liệu khí gas có nhiệt trị thấp $4424{,}8\text{ kcal/m}^3\text{tc}$; mức tiêu hao nhiên liệu là $59{,}57\text{ m}^3/\text{h}$ (tương đương $134{,}62\text{ kg/h}$ hay $0{,}06\text{ m}^3\text{tc}$ gas cho $1\text{ kg}$ hơi).
  • Xác lập cấu hình thiết bị phần cứng đồng bộ:
    • Buồng đốt kích thước $\varnothing 0{,}5\text{ m} \times 1{,}6\text{ m}$, thể tích $0{,}314\text{ m}^3$, diện tích tiếp nhận bức xạ $2{,}5\text{ m}^2$.
    • Béc đốt Riello RL 38/M TC FS1 dải công suất nhiệt $101\text{--}450\text{ kW}$ đi kèm cụm van Multibloc kiểm soát áp suất tự động.
    • Quạt cấp gió ly tâm KVC - 240 công suất $240\text{ W}$, lưu lượng $500\text{ m}^3/\text{h}$, cột áp $550\text{ Pa}$.
    • Bộ hâm nước ống thép trơn DN32 diện tích trao đổi nhiệt $0{,}86\text{ m}^2$, thu hồi nhiệt lượng $11267{,}8\text{ W}$, nâng nhiệt độ nước cấp từ $20^\circ\text{C}$ lên $70^\circ\text{C}$ và hạ nhiệt độ khói thải từ $500^\circ\text{C}$ xuống $350^\circ\text{C}$.
    • Đường thoát khói $\varnothing 0{,}34\text{ m}$ kết hợp cột ống khói chênh lệch độ cao $5\text{ m}$ tạo áp suất tự hút $-31{,}36\text{ N/m}^2$.

Giải pháp kỹ thuật của đồ án là tích hợp bộ hâm nước Economizer ngay tại đầu ra ống khói để hạ nhiệt khói thải từ $500^\circ\text{C}$ xuống $350^\circ\text{C}$, giúp giảm tổn thất nhiệt do khói thải ($q_2$) xuống mức $13{,}56%$, đồng thời loại bỏ hiện tượng sốc nhiệt co giãn đột ngột khi cấp nước vào ba-lông. So với các thiết kế lò hơi đốt than hoặc dầu truyền thống, việc lựa chọn nhiên liệu gas giúp triệt tiêu hoàn toàn tổn thất do cháy cơ học ($q_4 = 0%$) và tổn thất nhiệt do xỉ ($q_6 = 0%$), bảo đảm tính thân thiện môi trường trong ngành chế biến thủy sản.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Bản thuyết minh tính toán dừng lại ở mức thiết kế nhiệt động, kích thước hình học và khí động học; chưa thực hiện tính toán kiểm nghiệm bền cơ học chi tiết (chiều dày thân lò, vách đáy cầu, mặt sàng, mối hàn và liên kết ống theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN về bình chịu áp lực).
  • Hệ thống xử lý nước cấp chỉ mới dừng ở việc đề xuất bố trí tank chứa và bộ làm mềm nước tổng quát, chưa tính toán dung lượng hạt nhựa trao đổi ion và hóa chất khử khí hòa tan ($O_2, CO_2$).
  • Nội dung tính toán chiều cao ống khói chi tiết ở mục 6.1.6 bị ngắt quãng, chưa có kết luận kích thước chiều cao hoàn chỉnh của ống khói ngoài công trình.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Triển khai tính toán độ bền ứng suất nhiệt và áp suất cho thân trụ và mặt sàng ống lò - ống lửa theo TCVN 7704:2007 (Nồi hơi - Yêu cầu kỹ thuật về thiết kế, kết cấu, chế tạo, lắp đặt, sử dụng và sửa chữa).
  • Thiết kế chi tiết hệ thống xử lý nước cấp tự động (khử độ cứng cationit và khử khí nhiệt dịch).
  • Lập bản vẽ kỹ thuật thi công hoàn chỉnh (bản vẽ tổng thể 2D/3D, bản vẽ cụm ống lửa, buồng đảo chiều khói và bệ đỡ lò hơi).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Cơ khí, Năng lượng tại các trường đại học kỹ thuật khi thực hiện đồ án môn học Lò hơi, đồ án Thiết kế hệ thống nhiệt công nghiệp hoặc khóa luận tốt nghiệp. Nội dung đồ án cung cấp một tài liệu mẫu về các bước tính toán nhiệt phản ứng cháy nhiên liệu khí hỗn hợp, quy trình lập bảng cân bằng tổn thất nhiệt, phương pháp xác định kích thước buồng lửa bức xạ và tính toán thiết kế bộ hâm nước ống thép trơn thu hồi nhiệt khói thải.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án lựa chọn loại lò hơi nào và những ưu điểm kỹ thuật chính của phương án này là gì? Tác giả chọn lò hơi phối hợp ống lò - ống lửa nằm ngang 2 pass. Kiểu lò này có kích thước xây dựng nhỏ gọn, chi phí chế tạo thấp hơn lò ống nước, dung tích chứa nước lớn giúp lò phản ứng và duy trì áp suất ổn định trước sự biến động tải hơi đột ngột của quy trình chế biến thủy sản.

2. Hiệu suất nhiệt của lò hơi được tính toán đạt bao nhiêu và các thành phần tổn thất nhiệt lớn nhất là gì? Hiệu suất nhiệt tính toán của lò hơi đạt $81{,}44%$. Tổng các tổn thất nhiệt là $18{,}56%$, trong đó tổn thất nhiệt lớn nhất là tổn thất do khói thải mang ra môi trường ($q_2 = 13{,}56%$), tiếp theo là tổn thất tỏa nhiệt qua vách lò ra môi trường xung quanh ($q_5 = 3{,}5%$) và tổn thất do cháy hóa học không hoàn toàn ($q_3 = 1{,}5%$). Do sử dụng nhiên liệu khí gas, tổn thất cháy cơ học ($q_4$) và tổn thất nhiệt do xỉ ($q_6$) đều bằng $0%$.

3. Mức tiêu hao nhiên liệu khí gas của lò hơi khi sinh hơi ở công suất định mức 340 kg/h là bao nhiêu? Lượng tiêu hao nhiên liệu tính toán của lò hơi ở chế độ định mức là $B = 59{,}57\text{ m}^3/\text{h}$ (tương đương $134{,}62\text{ kg/h}$). Suất tiêu hao riêng nhiên liệu là $0{,}06\text{ m}^3\text{tc}$ gas cho $1\text{ kg}$ hơi nước sinh ra.

4. Thiết bị đốt và quạt gió cấp khí cháy được lựa chọn có mã hiệu và thông số kỹ thuật ra sao? Béc đốt được chọn là model RL 38/M TC FS1 của hãng Riello, sử dụng điện áp 3 pha 230–400V/50Hz, công suất nhiệt điều chỉnh từ $101\text{ kW}$ đến $450\text{ kW}$, mức tiêu hao gas từ $8{,}5\text{ kg/h}$ đến $38\text{ kg/h}$, công suất điện $0{,}6\text{ kW}$. Quạt gió đi kèm là quạt ly tâm KVC - 240 có lưu lượng định mức $500\text{ m}^3/\text{h}$, cột áp toàn phần $550\text{ Pa}$ và công suất động cơ $240\text{ W}$.

5. Bộ hâm nước lắp đặt ở đuôi lò có kết cấu và hiệu quả trao đổi nhiệt như thế nào? Bộ hâm nước được cấu tạo từ chùm ống thép trơn DN32 ($d = 32\text{ mm}$), gồm 2 dãy ống dài $900\text{ mm}$ uốn so le với bước ngang $S_1 = 95\text{ mm}$ và bước dọc $S_2 = 60\text{ mm}$, tổng diện tích trao đổi nhiệt là $0{,}86\text{ m}^2$. Bộ trao đổi nhiệt này hấp thụ công suất nhiệt $11267{,}8\text{ W}$, giúp gia nhiệt nước cấp từ $20^\circ\text{C}$ lên $70^\circ\text{C}$ trước khi vào thân lò, đồng thời hạ nhiệt độ dòng khói thải từ $500^\circ\text{C}$ xuống $350^\circ\text{C}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp môn học Lò hơi công nghiệp của tác giả Huỳnh Văn Vũ đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tính toán thiết kế nhiệt và khí động học cho lò hơi ống lò - ống lửa 2 pass công suất $340\text{ kg/h}$ ở áp suất $6\text{ bar}$ phục vụ công nghiệp thủy sản. Nghiên cứu xác lập đầy đủ bảng cân bằng nhiệt lượng, kích thước buồng đốt $\varnothing 0{,}5\text{ m} \times 1{,}6\text{ m}$, lựa chọn đồng bộ béc đốt Riello RL 38/M TC FS1, quạt gió KVC - 240 cùng hệ thống bồn chứa gas ngầm $10\text{ m}^3$. Việc thiết kế bổ sung bộ hâm nước ống thép trơn $0{,}86\text{ m}^2$ đã nâng cao hiệu suất nhiệt của toàn hệ thống lên $81{,}44%$, tạo lập cơ sở kỹ thuật phục vụ chế tạo và vận hành thiết bị sinh hơi công nghiệp an toàn, tiết kiệm năng lượng.