Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nhiệt năng giữ vai trò then chốt trong hoạt động sản xuất công nghiệp và cung ứng dịch vụ thương mại. Trong các hệ thống nhiệt, lò hơi là thiết bị nhiệt động lực không thể thiếu nhằm biến đổi hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng của hơi nước. Đối với các ngành công nghiệp nhẹ, dịch vụ khách sạn và dân dụng, nhu cầu sử dụng hơi bão hòa công suất vừa và nhỏ (từ 1 đến vài tấn hơi mỗi giờ) để phục vụ cho các quy trình giặt ủi công nghiệp, hấp, sấy và cấp nước nóng sinh hoạt chiếm tỷ trọng lớn. Tuy nhiên, lò hơi là thiết bị làm việc dưới áp lực cao và môi trường nhiệt độ lớn, đòi hỏi các yêu cầu khắt khe về độ bền cơ học, tính an toàn nhiệt động lực học và hiệu quả kinh tế trong vận hành.

Đồ án tốt nghiệp đại học ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt (chuyên ngành Nhiệt – Điện lạnh) của sinh viên Hứa Quang Nhật, dưới sự hướng dẫn của TS. Hồ Trần Anh Ngọc tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng (thực hiện tháng 06/2022), tập trung giải quyết bài toán: Tính toán thiết kế lò hơi đốt dầu DO công suất 1,5 T/h dùng để giặt ủi tại Khách sạn Hội An – TP. Hội An.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan lý thuyết về các chủng loại lò hơi công nghiệp và lựa chọn sơ đồ kết cấu lò hơi phù hợp với phụ tải dịch vụ giặt ủi khách sạn.
  2. Tính toán nhiệt động quá trình cháy của nhiên liệu lỏng (dầu DO), xác định lượng không khí cần thiết, thành phần thể tích và entanpi của sản phẩm cháy.
  3. Lập phương trình cân bằng nhiệt nhằm xác định các tổn thất nhiệt, hiệu suất nhiệt của lò hơi và lượng tiêu hao nhiên liệu thực tế.
  4. Thiết kế kích thước hình học không gian buồng lửa, ống lò, chùm ống lửa đối lưu và tính toán trao đổi nhiệt bức xạ trong buồng lửa.
  5. Tính toán sức bền cơ học và kiểm tra độ bền các phần tử chịu áp lực (thân lò, ống lò, ống lửa, mặt sàng, nắp cửa người chui, mối hàn, mối núc ống).
  6. Tính toán khí động học xác định trở lực đường khói, ống khói và tính toán chế độ thủy động lực học của vòng tuần hoàn nước.
  7. Tính chọn các thiết bị phụ trợ, thiết bị an toàn và hệ thống cấp nhiên liệu.
  8. Thiết kế hệ thống xử lý nước cấp và xây dựng quy trình vận hành, bảo dưỡng, xử lý sự cố an toàn cho trạm lò hơi.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống lò hơi ống lò – ống lửa đặt nằm ngang đốt dầu DO, sinh hơi bão hòa công suất 1,5 tấn/giờ ở áp suất làm việc 7,85 bar (8 kg/cm²).
  • Phạm vi nghiên cứu: Khách sạn Hội An (quy mô 7 tầng, 35 phòng) tại TP. Hội An, tỉnh Quảng Nam; sử dụng dữ liệu thành phần nhiên liệu dầu DO thương phẩm tại Việt Nam và các tiêu chuẩn nhiệt kỹ thuật hiện hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ sở lý thuyết nhiệt kỹ thuật, truyền nhiệt và tính toán thiết bị áp lực, dựa trên các tài liệu chuyên ngành chuẩn hóa:

  • Giáo trình và phương pháp tính toán: Thiết kế Lò Hơi (Trần Thanh Kỳ, 1990 - TL1), Lò Hơi Tập 1 & Tập 2 (Nguyễn Sĩ Mão, 2006 - TL2, TL3).
  • Bảng tra cứu nhiệt động học của nước và hơi nước bão hòa, bảng nhiệt dung riêng và entanpi của chất khí ở áp suất tiêu chuẩn.
  • Tiêu chuẩn tính toán sức bền các chi tiết thiết bị áp lực và tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật lò hơi.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán giải tích lý thuyết nhiệt động, cơ học vật liệu và thiết kế công nghệ hệ thống:

  • Phương pháp cân bằng nhiệt: Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt toàn phần cho 1 kg nhiên liệu nhằm xác định lượng nhiệt hữu ích, các thành phần tổn thất nhiệt ($q_2, q_3, q_4, q_5, q_6$), từ đó xác định hiệu suất nhiệt và suất tiêu hao nhiên liệu tính toán.
  • Phương pháp bức xạ nhiệt buồng lửa: Ứng dụng phương pháp Gurvich và tiêu chuẩn tính nhiệt lò hơi để xác định nhiệt độ cháy lý thuyết, độ đen hữu hiệu của ngọn lửa ($a_{nl}$), hệ số làm yếu bức xạ của khí ba nguyên tử ($k_k$) và hạt muội tro ($k_h$).
  • Phương pháp tính toán độ bền kết cấu áp lực: Xác định ứng suất cho phép của kim loại chế tạo (thép tấm chuyên dụng 20K, CT3n, thép ống C20) có xét đến hệ số hiệu chỉnh điều kiện làm việc, hệ số bền mối hàn và trị số bổ sung chiều dày ăn mòn để tính chiều dày tối thiểu của thân lò, ống lò, ống lửa, mặt sàng.
  • Phương pháp thủy lực - khí động học: Tính toán tổn thất áp suất ma sát, tổn thất cục bộ qua các pass ống lửa và hộp khói, xác định chiều cao ống khói để đảm bảo lực hút tự nhiên.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo dạng lò hơi ống lò – ống lửa đặt nằm ngang, 2 pass khói, tuần hoàn tự nhiên, sinh hơi bão hòa.

Thông số thiết kế Giá trị danh định Đơn vị
Sản lượng hơi bão hòa danh định ($D$) 1,5 (tương đương 1500) T/h (kg/h)
Áp suất hơi làm việc thiết kế ($P$) 7,85 (tương đương 8) bar (kg/cm²)
Nhiệt độ nước cấp vào lò ($t_{nc}$) 30 °C
Entanpi nước cấp ($i_{nc}$) 126,30 kJ/kg
Nhiệt độ hơi bão hòa ($t_{bh}$) 169,60 °C
Entanpi hơi bão hòa ($i_{bh}$) 2768,25 kJ/kg
Nhiệt thế thể tích buồng lửa ($q_v$) 2000 kW/m³
Diện tích bề mặt truyền nhiệt tổng thể ($F$) 37,5 m²
Tiêu hao nhiên liệu dầu DO ($B = B_{tt}$) 104,13 kg/h

Kích thước kết cấu cơ khí và vật liệu chế tạo được tính toán cụ thể cho từng phần tử:

Bộ phận kết cấu Vật liệu chế tạo Kích thước hình học cơ bản Chiều dày tính toán / chọn
Thân lò Thép tấm CT3n / 20K Đường kính trong $D_t = 1700$ mm, dài $L = 2200$ mm $S = 10$ mm (chọn chế tạo ban đầu 18 mm)
Ống lò Thép tấm chịu nhiệt 20K Đường kính trong $d_1 = 600$ mm, dài $L_1 = 2000$ mm $S = 12$ mm (tính toán $7,185$ mm)
Dàn ống lửa Thép ống đúc C20 Đường kính ngoài $D_n = 66$ mm, dài $L_2 = 1800$ mm, số lượng 90 ống (chia 2 pass, mỗi pass 45 ống) $S = 2,5$ mm
Mặt sàng Thép tấm 20K Đường kính $D = 1650$ mm, khoảng cách 2 mặt sàng 1700 mm $S = 12$ mm
Cửa người chui Thép tấm 20K (hình elip) Lỗ chui $300 \times 400$ mm, thân cửa $295 \times 395$ mm, nắp $330 \times 430$ mm $S = 16$ mm

Liên kết giữa ống lửa và mặt sàng được thực hiện bằng phương pháp núc kết hợp bo mép cơ khí, làm sạch sáng kim loại trước khi gia công. Hệ thống được kiểm tra độ bền và độ kín bằng phương pháp thử áp lực thủy lực với áp suất thử $P_{thử} = 13\text{ kg/cm}^2$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về lò hơi

Chương này tổng hợp cơ sở phân loại lò hơi theo chế độ đốt nhiên liệu (đốt theo lớp ghi cố định/cơ khí, đốt phun dạng ngọn lửa than bột/nhiên liệu lỏng/khí, lò tầng sôi, buồng đốt xoáy), theo chế độ tuần hoàn nước (tuần hoàn tự nhiên, cưỡng bức có bội số lớn, trực lưu), theo thông số áp suất - công suất và công dụng (lò công nghiệp, lò nhà máy điện). Tác giả so sánh chi tiết ưu nhược điểm của các dạng kết cấu: lò ống lò, lò ống lửa, lò ống lò – ống lửa hỗn hợp, lò ống nước nằm ngang và ống nước đứng. Trên cơ sở đó, lựa chọn phương án lò hơi ống lò – ống lửa đặt nằm ngang cho đề tài nhờ các ưu điểm: kết cấu gọn gàng, dung tích chứa nước lớn giúp tích lũy nhiệt tốt khi phụ tải giặt ủi thay đổi đột ngột, công tác bảo ôn đơn giản và chi phí chế tạo hợp lý.

Chương 2: Tính toán quá trình cháy của nhiên liệu

Tác giả thiết lập bảng thành phần hóa học của dầu DO thương phẩm theo phần trăm khối lượng làm việc:

  • Carbon ($C^{lv}$): 86,3%
  • Hydro ($H^{lv}$): 10,5%
  • Lưu huỳnh ($S^{lv}$): 0,5%
  • Oxy ($O^{lv}$): 0,3%
  • Nitơ ($N^{lv}$): 0,3%
  • Độ ẩm ($W^{lv}$): 1,8%
  • Độ tro ($A^{lv}$): 0,3%

Kết quả tính toán đặc tính thể tích quá trình cháy và sản phẩm cháy (tính cho 1 kg dầu DO, hệ số không khí thừa buồng lửa $\alpha = 1,1$):

  • Lượng không khí lý thuyết cần thiết: $V_{kk}^0 = 10,576\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Thể tích khí ba nguyên tử: $V_{RO2} = 1,614\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Thể tích khí nitơ lý thuyết: $V_{N2}^0 = 8,357\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Thể tích hơi nước lý thuyết: $V_{H2O}^0 = 1,369\text{ m}^3\text{tc/kg}$; thể tích hơi nước thực tế: $V_{H2O} = 1,386\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Thể tích khói khô lý thuyết: $V_{KKkhô}^0 = 9,971\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Thể tích khói lý thuyết toàn phần: $V_k^0 = 11,34\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Thể tích khói thực tế: $V_K = 11,357\text{ m}^3\text{tc/kg}$.
  • Bảng tra cứu entanpi của không khí và khói được lập chi tiết theo dải nhiệt độ từ $100^\circ\text{C}$ ($I_{kk}^0 = 1374,35\text{ kcal/kg}$, $I_K = 1704,07\text{ kcal/kg}$) đến $2200^\circ\text{C}$ ($I_{kk}^0 = 35191,64\text{ kcal/kg}$, $I_K = 45802,10\text{ kcal/kg}$).

Chương 3: Cân bằng nhiệt lò hơi

Phương trình cân bằng nhiệt xác định nhiệt trị thấp làm việc của dầu DO đạt $Q_{tlv} = 40047,5\text{ kJ/kg}$. Nhiệt lượng mang vào do sấy dầu sơ bộ lên $90^\circ\text{C}$ là $Q_{nl} = 176,85\text{ kJ/kg}$, đưa tổng nhiệt lượng cấp vào đạt $Q_{dv} = 40224,35\text{ kJ/kg}$.

Các thành phần tổn thất nhiệt:

  • Tổn thất do khói thải mang ra ngoài: $q_2 = 3,64%$ (với nhiệt độ khói thải $\theta_{th} = 100^\circ\text{C}$, $\alpha_{th} = 1,220$, $I_{th} = 1868,98\text{ kJ/kg}$, $I_{kkl}^0 = 409,29\text{ kJ/kg}$).
  • Tổn thất do cháy không hoàn toàn về mặt hóa học: $q_3 = 1,5%$.
  • Tổn thất do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học: $q_4 = 0%$ (do đặc tính nhiên liệu lỏng phun sương).
  • Tổn thất tỏa ra môi trường xung quanh: $q_5 = 1%$.
  • Tổn thất do nhiệt vật lý của tro xỉ: $q_6 = 0%$.
  • Tổng các tổn thất nhiệt: $\sum q = 6,14%$.
  • Hiệu suất nhiệt của lò hơi: $\eta = 93,86%$.
  • Nhiệt lượng hữu ích sản xuất hơi: $Q_1 = 3962925\text{ kcal/h}$ (với sản lượng $D_{bh} = 1500\text{ kg/h}$, $i_{bh} = 2768,25\text{ kJ/kg}$, $i_{nc} = 126,30\text{ kJ/kg}$ tại $30^\circ\text{C}$).
  • Suất tiêu hao nhiên liệu tính toán: $B = B_{tt} = 104,13\text{ kg/h}$.

Chương 4: Thiết kế buồng lửa

Dựa trên nhiệt thế thể tích buồng lửa $q_v = 2000\text{ kW/m}^3$, thể tích buồng lửa tính được là $V_{bl} = 0,58\text{ m}^3$. Diện tích bề mặt truyền nhiệt tổng thể yêu cầu là $F = 37,5\text{ m}^2$ (với cường độ bốc hơi riêng phần chọn $D_1 = 40\text{ kg/(m}^2\text{h)}$).

Các thông số tính toán nhiệt và bức xạ buồng lửa:

  • Nhiệt lượng thu được khi đốt 1 kg nhiên liệu: $Q_{tđ} = 39939,29\text{ kJ/kg}$.
  • Hệ số bảo ôn của lò: $\varphi = 0,99$.
  • Nhiệt độ cháy lý thuyết: $t_a = 975,3^\circ\text{C}$.
  • Chiều dày tác dụng của lớp khí bức xạ: $s = 0,0557$ m.
  • Phân áp suất khí ba nguyên tử: $p_k = 0,264\text{ kg/cm}^2$ (phân thể tích $r_k = 0,264$ với $r_{H2O} = 0,122$, $r_{RO2} = 0,142$).
  • Hệ số làm yếu bức xạ của khí 3 nguyên tử: $k_k = 3,538$.
  • Hệ số làm yếu bức xạ của hạt tro muội bay theo khói: $k_h = 0,407$.
  • Độ đen phần sáng của ngọn lửa: $a_s = 0,072$; độ đen phần không sáng: $a_k = 0,050$.
  • Độ đen hữu hiệu của ngọn lửa và buồng lửa: $a_{nl} = a_{bl} = 0,0621$ (với hệ số phân bố $m = 0,55$).
  • Diện tích bề mặt hấp thụ bức xạ của ống lò: $F_{bx} = 3,768\text{ m}^2$.

Chương 5: Tính kết cấu và độ bền của lò hơi

Chương này thực hiện kiểm nghiệm ứng suất và tính chiều dày vách cho các chi tiết chịu áp lực chính:

  • Thân lò: Làm việc ở nhiệt độ vách tính toán $t_v = 250^\circ\text{C}$, thép CT3n có ứng suất định mức $\sigma_{cp}^* = 12\text{ kg/mm}^2$, hệ số hiệu chỉnh $\eta = 1$, hệ số bền mối hàn $\varphi = 0,7$. Chiều dày tính toán tối thiểu $S = 9,981$ mm; quy chuẩn chọn $S = 10$ mm.
  • Ống lò: Chịu áp lực ngoài và ngọn lửa đốt trực tiếp ($t_v = t_{bh} + 100 = 269,6^\circ\text{C}$, quy chuẩn lấy $270^\circ\text{C}$), thép 20K có $\sigma_{cp}^* = 12,6\text{ kg/mm}^2$, hệ số điều kiện làm việc $\eta = 0,5 \Rightarrow \sigma_{cp} = 6,3\text{ kg/mm}^2$. Chiều dày tính toán $S = 7,185$ mm; chọn chiều dày chế tạo an toàn $S = 12$ mm.
  • Ống lửa: Tiếp xúc khói nóng ($t_v = 250^\circ\text{C}$), thép C20 có $\sigma_{cp}^* = 13,2\text{ kg/mm}^2$, $\eta = 0,7 \Rightarrow \sigma_{cp} = 9,24\text{ kg/mm}^2$. Chiều dày tính toán $S = 1,279$ mm; theo bảng quy chuẩn đường kính $D_n = 66$ mm, chọn chiều dày tối thiểu $S = 2,5$ mm.
  • Mặt sàng và cửa người chui: Tính toán ứng suất uốn của mặt sàng phẳng có giằng bằng ống lửa, chọn chiều dày mặt sàng $S = 12$ mm; nắp cửa người chui elip bằng thép 20K có chiều dày $S = 16$ mm. Kiểm tra độ bền liên kết hàn và gia cường các lỗ khoét trên thân lò.

Chương 6: Tính khí động và thủy động lò hơi

Nội dung chương bao gồm:

  • Tính toán sức cản khí động của đường khói: Xác định trở lực ma sát trong cụm ống lửa ($\Delta h_m$), trở lực cục bộ khi dòng khói ngoặt hướng tại hộp khói trước ($b_1$) và hộp khói sau ($b_2$).
  • Tính toán lực hút tự nhiên của ống khói ($h_{th}$) dựa trên độ chênh lệch khối lượng riêng giữa không khí môi trường ($\rho_a$) và khói nóng ($\rho_0$) theo chiều cao ống khói $H$.
  • Kiểm tra điều kiện thông gió hút tự nhiên: Lực hút tự nhiên của cột ống khói đủ thắng tổng trở lực khí động của đường khói ($\Delta H$) mà không cần lắp quạt hút khói cưỡng bức.
  • Tính toán thủy động lực học: Kiểm tra điều kiện lưu thông tuần hoàn tự nhiên của nước trong không gian giữa thân lò và chùm ống lửa, đảm bảo không xảy ra hiện tượng màng hơi cách nhiệt cục bộ trên vách ống lò.

Chương 7: Tính chọn các thiết bị phụ

Xác định thông số và lựa chọn các thiết bị an toàn và đường ống phụ trợ:

  • Lựa chọn van an toàn kiểu lò xo có tay giật để tự động xả áp khi áp suất vượt quá ngưỡng cho phép ($P > 8\text{ bar}$).
  • Trang bị nắp phòng nổ dạng bản lề tự đóng mở tại buồng đốt và hộp khói để giải tỏa áp lực khi xảy ra hiện tượng nổ hỗn hợp khí cháy.
  • Tính chọn van hơi chính dạng van cầu chịu áp lực, van xả đáy định kỳ để loại bỏ cặn bùn lắng.
  • Thiết kế hệ thống cấp dầu gồm bồn chứa dầu DO, bơm dầu cao áp, lọc dầu tinh/thô, bộ gia nhiệt dầu $90^\circ\text{C}$ và đầu đốt phun dầu cơ khí áp lực.
  • Tính toán lớp vật liệu bảo ôn bằng bông khoáng cách nhiệt (bông thủy tinh/rockwool) bọc ngoài thân lò, bọc tôn mạ kẽm bảo vệ để hạn chế tổn thất nhiệt ra môi trường ($q_5 \le 1%$).

Chương 8: Thiết bị xử lý nước cấp vào lò hơi

Phân tích tác hại của hiện tượng đóng cặn cáu canxi, magie ($Ca^{2+}, Mg^{2+}$) gây giảm hiệu suất truyền nhiệt, tăng nhiệt độ vách kim loại dẫn đến nguy cơ nổ vách ống, cũng như tác hại ăn mòn của oxy hòa tan và khí $CO_2$. Tác giả đưa ra sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mềm nước cấp:

  • Nước cấp qua cột lọc thô loại bỏ tạp chất lơ lửng.
  • Qua cột trao đổi ion Na-cationit nhằm thay thế các ion cứng $Ca^{2+}, Mg^{2+}$ bằng ion $Na^+$.
  • Định kỳ hoàn nguyên hạt nhựa trao đổi ion bằng dung dịch muối ăn ($NaCl$) bão hòa.
  • Bố trí bình khử khí nhiệt dịch hoặc hóa chất để loại bỏ khí hòa tan trước khi bơm vào lò hơi.

Chương 9: Vận hành lò hơi

Trình bày quy chuẩn vận hành an toàn và bảo trì kỹ thuật:

  • Công tác chuẩn bị và khởi động: Kiểm tra mức nước trên ống thủy sáng, kiểm tra áp kế, hệ thống đường dầu, van an toàn, xả khí và tiến hành sấy lò, đánh lửa béc đốt ở chế độ tải nhỏ trước khi nâng tải.
  • Điều chỉnh và giám sát làm việc: Điều khiển tự động mức nước cấp, điều chỉnh tỷ lệ gió - dầu để ngọn lửa sáng đều, không sinh khói đen; kiểm tra nhiệt độ khói thải và áp suất hơi bão hòa.
  • Xử lý sự cố bất thường:
    • Hiện tượng xì hở gioăng, nắp van hơi, vastup mặt bích.
    • Bộ đốt bị tắt đột ngột hoặc khó bắt lửa (do nghẹt béc phun, áp lực dầu tụt, nước lẫn trong dầu).
    • Bật công tắc nguồn nhưng động cơ bơm và quạt gió không hoạt động (kiểm tra rơle nhiệt, mạch khóa liên động an toàn mức nước).
    • Lò hơi chậm lên áp suất hoặc tiêu hao nhiều dầu mà sinh hơi ít (do cáu cặn bám dày trong vách nước hoặc ống lửa bị muội than bám bẩn).
  • Quy trình bảo dưỡng và nội quy an toàn: Hướng dẫn thông rửa ống thủy, xả đáy hàng ca, vệ sinh cạo muội ống lửa định kỳ, quy định trách nhiệm pháp lý của công nhân vận hành thiết bị áp lực và đơn vị chủ quản sử dụng lò hơi.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán chính

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ chuỗi tính toán kỹ thuật cho mẫu lò hơi đốt dầu DO $1,5\text{ T/h}$ với các số liệu cụ thể:

  1. Xác định chính xác các chỉ tiêu nhiệt động: Hiệu suất lò hơi đạt $93,86%$, tổng tổn thất nhiệt là $6,14%$ (trong đó tổn thất khói thải $q_2 = 3,64%$, tổn thất hóa học $q_3 = 1,5%$, tổn thất tỏa nhiệt $q_5 = 1%$).
  2. Định mức tiêu hao nhiên liệu tính toán ở chế độ đầy tải là $104,13\text{ kg dầu DO/h}$, đáp ứng sản lượng $1500\text{ kg hơi bão hòa/h}$ ở áp suất $7,85\text{ bar}$.
  3. Xác lập kích thước buồng lửa và trao đổi nhiệt: Thể tích buồng lửa $V_{bl} = 0,58\text{ m}^3$, bề mặt truyền nhiệt bức xạ $F_{bx} = 3,768\text{ m}^2$, tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt $F = 37,5\text{ m}^2$.
  4. Tối ưu hóa kích thước cơ khí thiết bị áp lực: Thân lò $\phi 1700 \times 2200$ mm ($S = 10$ mm); ống lò $\phi 600 \times 2000$ mm ($S = 12$ mm); chùm ống lửa gồm 90 ống $\phi 66 \times 1800$ mm ($S = 2,5$ mm, bố trí tam giác đều 2 pass, mỗi pass 45 ống); mặt sàng đường kính $1650$ mm ($S = 12$ mm).

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Cung cấp phương án thiết kế hoàn chỉnh, có tính ứng dụng cao cho trạm cung cấp hơi bão hòa công suất nhỏ phục vụ khối dịch vụ phụ trợ (giặt ủi, nước nóng) tại khách sạn 35 phòng.
  • Tổng hợp đầy đủ quy trình từ tính toán cân bằng nhiệt, thiết kế kết cấu cơ khí chịu áp lực, kiểm tra khí động - thủy động đến xây dựng sổ tay vận hành, quy trình xử lý nước và an toàn lao động đối với thiết bị áp lực.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Các tính toán nhiệt động và kết cấu được thực hiện ở chế độ phụ tải định mức cố định ($D = 1,5\text{ T/h}$, $P = 7,85\text{ bar}$), chưa phân tích sâu động học quá trình chuyển tiếp khi phụ tải dao động lớn theo giờ trong ngày của khách sạn.
    • Đồ án không thiết kế bộ tận dụng nhiệt đuôi lò (bộ hâm nước cấp hoặc bộ sấy không khí) do giới hạn công suất nhỏ, dẫn đến nhiệt độ không khí nóng lấy bằng nhiệt độ môi trường ($30^\circ\text{C}$).
    • Phần điều khiển tự động dừng lại ở mức mô tả nguyên lý thiết bị và xử lý sự cố cơ điện, chưa xây dựng sơ đồ mạch điều khiển chi tiết hoặc mô hình hóa hệ thống tự động hóa PLC/SCADA.
  • Hướng nghiên cứu mở rộng:
    • Nghiên cứu tích hợp bộ tiết kiệm nhiệt đuôi lò (Economizer) gia nhiệt sơ bộ nước cấp để nâng cao hơn nữa hiệu suất nhiệt và hạ nhiệt độ khói thải dưới $100^\circ\text{C}$.
    • Thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa tích hợp biến tần điều khiển quạt gió, bơm cấp nước theo áp suất hơi thực tế và hệ thống giám sát từ xa.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu học thuật và kỹ thuật thực tế hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Nhiệt, Điện lạnh, Năng lượng tái tạo: Dùng làm tài liệu tham khảo chi tiết cho đồ án môn học Thiết kế lò hơi, Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành nhiệt công nghiệp.
  • Kỹ sư cơ điện (M&E), kỹ sư vận hành trạm nhiệt: Tham khảo phương pháp tính toán sức bền thiết bị áp lực, cấu tạo chi tiết các bộ phận lò hơi ống lò ống lửa và quy trình tính chọn thiết bị an toàn.
  • Cán bộ quản lý vận hành tại các cơ sở dịch vụ, nhà máy: Áp dụng quy trình kiểm tra xử lý nước cấp, quy trình vận hành và sổ tay xử lý sự cố thiết bị áp lực tại trạm lò hơi giặt ủi, may mặc, chế biến thực phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lựa chọn kiểu lò hơi ống lò – ống lửa nằm ngang mà không dùng lò hơi ống nước?
Lò hơi ống lò – ống lửa nằm ngang có dung tích chứa nước lớn, tạo khả năng tích lũy nhiệt cao, giúp áp suất hơi duy trì ổn định khi phụ tải giặt ủi của khách sạn thay đổi thất thường. Ngoài ra, loại lò này có kết cấu nhỏ gọn, chiếm ít diện tích lắp đặt, chế tạo và bảo ôn đơn giản, hoàn toàn phù hợp với dải công suất nhỏ ($1,5\text{ T/h}$) và yêu cầu hơi bão hòa.

2. Hiệu suất nhiệt của lò hơi thiết kế đạt bao nhiêu và tiêu hao bao nhiêu dầu DO trong một giờ?
Theo kết quả tính toán cân bằng nhiệt, hiệu suất nhiệt của lò hơi đạt $\eta = 93,86%$ với tổng tổn thất nhiệt là $6,14%$ (trong đó tổn thất khói thải mang ra ngoài $q_2 = 3,64%$, tổn thất hóa học $q_3 = 1,5%$, tổn thất tỏa nhiệt môi trường $q_5 = 1%$). Tiêu hao nhiên liệu tính toán ở chế độ đầy tải là $B_{tt} = 104,13\text{ kg dầu DO/h}$.

3. Chùm ống lửa được bố trí như thế nào và liên kết với mặt sàng bằng phương pháp gì?
Dàn ống lửa gồm 90 ống thép đúc C20 ($\phi 66 \times 2,5$ mm, dài 1800 mm) được bố trí theo bước tam giác đều ($S_1 = 96$ mm, $S_2 = 83$ mm), chia thành 2 pass chuyển động của khói (mỗi pass 45 ống). Ống lửa được liên kết vào mặt sàng dày 12 mm bằng phương pháp núc cơ khí kết hợp bo mép và được kiểm tra độ bền, độ kín bằng thử thủy lực ở áp suất $13\text{ kg/cm}^2$.

4. Tại sao nước cấp vào lò hơi bắt buộc phải qua hệ thống làm mềm?
Nước cấp tự nhiên chứa các ion canxi và magie ($Ca^{2+}, Mg^{2+}$). Khi đun sôi tạo hơi, các ion này kết tủa tạo lớp cáu cặn có hệ số dẫn nhiệt rất kém bám vào vách ống lò và ống lửa, làm giảm hiệu suất truyền nhiệt, gây quá nhiệt cục bộ làm biến dạng hoặc nổ vách kim loại chịu áp lực. Do đó, hệ thống sử dụng cột trao đổi ion Na-cationit để khử triệt để độ cứng của nước trước khi bơm vào lò.

5. Khi lò hơi gặp hiện tượng đốt tốn dầu nhưng chậm lên hơi, nguyên nhân kỹ thuật do đâu và cách xử lý thế nào?
Nguyên nhân chủ yếu do bề mặt truyền nhiệt phía khói bị bám nhiều muội than hoặc bề mặt phía nước bị đóng cáu cặn dày làm giảm hệ số truyền nhiệt; hoặc do áp lực phun và chất lượng sấy dầu không đạt yêu cầu. Biện pháp xử lý gồm: tiến hành vệ sinh cạo muội ống lửa, tẩy cáu cặn hóa chất trong thân lò, kiểm tra béc phun và điều chỉnh lại tỷ lệ cấp gió - dầu của đầu đốt.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Tính toán thiết kế lò hơi đốt dầu DO công suất 1,5 T/h dùng để giặt ủi tại Khách sạn Hội An" của tác giả Hứa Quang Nhật đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế một hệ thống cung cấp nhiệt hơi bão hòa công nghiệp loại nhỏ. Toàn bộ các bước tính toán nhiệt động lực học, tính toán quá trình cháy, thiết kế kết cấu cơ khí chịu áp lực và khí động học đều được thực hiện nhất quán theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Kết quả thiết kế đạt hiệu suất nhiệt cao ($93,86%$), đảm bảo các chỉ tiêu bền vững cơ học, an toàn áp lực và có giá trị ứng dụng thực tế rõ ràng cho ngành dịch vụ - công nghiệp nhẹ.