Nghiên cứu đặc điểm trao đổi nhiệt trong bộ hâm nước tận dụng nhiệt khói thải nồi hơi công nghiệp
Science & Technology Development, Vol 10, No.11 - 2007
NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG BỘ HÂM NƯỚC TẬN
DỤNG NHIỆT KHÓI THẢI NỒI HƠI CÔNG NGHIỆP
Nguyễn Văn Tuyên
Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG – HCM
(Bài nhận ngày 22 tháng 01 năm 2007, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 12 tháng 09 năm 2007)
TÓM TẮT: Bộ hâm nước tận dụng nhiệt khói thải kiểu dàn ống có cánh phải được thiết
kế phù hợp với điều kiện làm việc của bản thân nồi hơi. Do yếu tố ràng buộc đó, nếu chỉ áp
dụng những công thức có sẵn trong các tài liệu về truyền nhiệt để tính toán dàn ống có cánh
sẽ dẫn đến sai số đáng kể so với thực tế, nhất là đối với thiết bị chế tạo trong nước. Nghiên
cứu thực nghiệm đã được tiến hành nhằm xác định giá trị cụ thể của một vài thông số đặc
trưng chính cho quá trình trao đổi nhiệt trong bộ hâm nước tận dụng nhiệt khói thải; đó là
mức thay đổi nhiệt độ của khói và nước, lượng nhiệt tận dụng được, hệ số truyền nhiệt qua
vách dàn ống. Những thông số này được khảo sát theo chế độ làm việc thay đổi của nồi hơi.
Kết quả nghiên cứu chắc chắn hỗ trợ việc thiết kế bộ hâm nước ở nồi hơi công nghiệp một
cách dễ dàng hơn.
1.MỞ ĐẦU
Nồi hơi công nghiệp thường chỉ có các bề mặt sinh hơi, do đó nhiệt độ khói thải tương đối
cao, khoảng 250oC đến 300oC. Nhiên liệu cần đốt để sinh hơi khá nhiều, kéo theo lượng khói
thải có chứa các chất gây hại cho môi trường cũng lớn.
Với xu hướng nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, tiết kiệm nhiên liệu thì phương án
bố trí thêm bộ hâm nước (còn gọi là ECO - Economizer) rất được quan tâm. Tuy nhiên để áp
dụng được vào thực tế phải có một thiết kế tối ưu sao cho hiệu quả tận dụng nhiệt là cao nhất
với giá thành thiết bị đủ thấp, đồng thời giải quyết được những ảnh hưởng tiêu cực do việc lắp
bộ hâm nước gây ra.
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu về đặc điểm trao đổi nhiệt trong bộ hâm nước kiểu
dàn ống có cánh dạng vít xoắn ở những chế độ vận hành khác nhau của nồi hơi công nghiệp
đốt dầu DO nhằm tạo cơ sở để có thể triển khai thiết kế chế tạo chúng trong nước.
2.SƠ ĐỒ THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1.Mô tả kết cấu bộ hâm
Bộ hâm được tính toán thiết kế để lắp cho nồi hơi công suất 1t/h, đốt dầu DO. Nước
chuyển động trong các ống thép bố trí so le, khói đi ngoài ống. Những bộ phận chính là: các
ống thép φ27 có cánh dày 7 mm, mặt sàng lắp ống, vách bao che, mặt bích lắp ghép, ống góp
nước vào và ra. Dàn ống sau khi gia công được nhúng kẽm nóng để dảm bảo sự dẫn nhiệt từ
bề mặt ống qua chân cánh được tốt.
2.2.Sơ đồ thiết bị thí nghiệm
Hình 1 mô tả sơ đồ thiết bị nghiên cứu trao đổi nhiệt giữa khí nóng và nước trong dàn ống
có cánh.
Dầu được béc đốt tán sương áp lực (8) phun vào và cháy trong buồng lửa (7). Quạt gió (1)
cung cấp lượng không khí cần thiết để giảm nhiệt độ khí nóng xuống gần đến giá trị mong
muốn. Nhiệt độ khí sau đó được cài đặt chính xác nhờ chỉnh lưu lượng nước vào ống làm mát
Trang 32
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 10, SOÁ 11 - 2007
(6). Nước vào dàn ống được cấp liên tục nhờ bơm (3).Trong dàn trao đổi nhiệt (5) xảy ra quá
trình gia nhiệt nước bằng khí nóng.
Hình 1. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm
Hệ thống được trang bị những dụng cụ đo cần thiết là:
Các nhiệt kế đo nhiệt độ khí và nhiệt độ nước
Lưu lượng kế đo lưu lượng nước cấp
Ống đo chênh lệch áp suất trước và sau dàn ống
Chong chóng đo tốc độ dòng khí thoát.
2.3.Phương pháp thực nghiệm
Các thí nghiệm được thực hiện nhằm xác định cụ thể hiệu quả thu hồi nhiệt trong bộ hâm
nước khi nồi hơi hoạt động ở những chế độ khác nhau. Theo tính toán thì nhiệt độ khói thải
sau nồi hơi phụ thuộc vào sản lượng hơi tương đối (hay phần trăm tải) D theo quan hệ:
tk = 1.12D% + 44.6
Những thông số được cố định trước mỗi thí nghiệm và những số liệu cần đo như sau:
1/ Các thông số cố định:
Lưu lượng thể tích dòng khí, VK
Lưu lượng nước, Gn
[m3N /h]
[l/ph]
[oC]
Nhiệt độ khí vào dàn ống, tk1
2/ Các số liệu đo chủ yếu:
Nhiệt độ nước vào dàn ống, tn1
[oC ]
[oC ]
Nhiệt độ nước ra,
tn2
Trang 33
Science & Technology Development, Vol 10, No.11 - 2007
Trở lực dòng khí qua bộ hâm, h
[mmH2O]
Phương pháp lấy số liệu được tổ chức cho 03 trường hợp:
+
+
Khi lưu lượng nước tỉ lệ với tải: đo với các tải cách nhau khoảng 5%
Khi lưu lượng nước không thay đổi theo tải: cố định Gn = 14.1 l/ph (ứng với chế độ
đầy tải của lò hơi 1 t/h qui ước) và đo với các tải cách nhau khoảng 5%
+
Khi khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nước vào ở tải lớn nhất: đo đạc với nhiệt độ nước
vào tn1 cách nhau khoảng 5oC.
2.4.Phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm
Chuỗi số liệu đo cho mỗi chế độ tải được đưa vào bảng để xác định giá trị trung bình cho
từng đại lượng. Trong quá trình xử lý kết quả thực nghiệm không thấy xuất hiện bất kỳ sai số
thô nào. Độ chính xác của các phép đo được đánh giá thông qua giá trị sai lệch bình phương
trung bình σ tính theo công thức quen thuộc trong lý thuỵết Xác suất thống kê:
2
−
⎛
⎜
⎝
⎞
⎟
⎠
x − x
∑
i
σ =
n −1
−
Từ giá trị trung bình x của từng đại lượng đo ta tính được các chỉ tiêu sau:
-
-
-
-
Mức gia tăng nhiệt độ của nước cấp,
Lượng nhiệt trao đổi,
Δtn = ( tn2 - tn1 )
Q = GncpnΔtn
[oC ]
[kW]
[oC ]
Nhiệt độ của khói thải sau dàn ống,
tk2 =tk1 – Q/(Gkcpk)
Hệ số truyền nhiệt qui theo diện tích bề mặt phía trong ống,
k1 = Q/(F1Δttb) [W/(m2K)]
Khảo sát sự biến đổi của các chỉ tiêu này theo phụ tải D chúng ta tìm được phương trình
hồi qui mô tả mối quan hệ phụ thuộc y =f(D).
3.KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, trong phạm vi nhiệt độ khói khảo sát không quá rộng
thì các thông số đo đạc và tính toán được hầu như thay đổi với phụ tải theo quan hệ đường
thẳng. Do vậy tất cả các phương trình hồi qui thu nhận được đều ở dạng tuyến tính. Tuy nhiên,
điều quan trọng và cũng là mục tiêu nghiên cứu chính là xác định được giá trị cụ thể của các
thông số đó tại một chế độ vận hành nhất định.
Giá trị sai lệch bình phương trung bình σ tính cho từng đại lượng đo đều không vượt quá
0.02 chứng tỏ các số liệu thực nghiệm có đủ độ tin cậy cần thiết.
3.1.Khi lưu lượng nước thay đổi theo chế độ tải
Trong các thí nghiệm này nước vào dàn ống có nhiệt độ trung bình là 29.7oC; lưu lượng
nước được chỉnh tỉ lệ với chế độ tải D [%] theo quan hệ Gn = 0.14 D – 0.22
Trang 34
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 10, SOÁ 11 - 2007
Bảng 1: Giá trị trung bình của một số thông số khi Gn thay đổi tỉ lệ với tải.
Δtn, oC
22.7
21.8
25.1
24.6
26.0
25.7
27.2
29.8
27.1
D, %
50.0
55.5
60.0
64.4
70.0
75.4
80.0
84.8
90.0
tk1, oC
203.0
205.6
212.4
218.8
224.8
231.8
234.3
240.6
245.4
tk2, oC
121.5
127.5
122.4
129.4
129.9
137.8
136.0
131.5
146.2
tn2, oC
50.8
51.5
54.4
53.5
56.3
56.2
54.9
58.6
53.9
Q, kW
10.77
11.40
14.36
15.14
17.43
18.63
20.69
24.35
23.47
k1, W/(m2K)
132.20
136.38
172.38
171.72
195.88
198.45
216.65
257.93
227.48
h, mmH2O
3.5
4.5
4.5
4.5
5.0
4.8
5.0
6.0
6.0
35
30
300
Dtn = 0.1568 D + 14.58
250
200
150
100
50
25
20
15
10
5
Dtn
Q
k1
k1 = 2.8731 D - 11.236
tk2 = 0.4925 D + 96.898
Q = 0.3535 D - 7.388
tk2
tk2
k1
Dtn
Q
0
45
55
65
75
85
95
45
55
65
75
85
95
D,%
D,%
Hình 2: Mức gia tăng nhiệt độ nước Δtn [oC]
và nhiệt lượng trao đổi Q [kW] theo phụ tải
Hình 3: Nhiệt độ khí sau dàn trao đổi nhiệt tk2
[oC] và hệ số truyền nhiệt k1 [W/(m2K)]
Trường hợp nồi hơi vận hành với sản lượng hơi định mức thì nhiệt độ nước sau bộ ECO có
thể tăng thêm 30oC, nhiệt lượng thu hồi được là lớn nhất – tới 28 kW đối với nồi hơi có sản
lượng hơi qui ước 1t/h tại 100oC (from & at 100oC). Khói thải cuối cùng có nhiệt độ 147oC.
Hệ số truyền nhiệt tính về phía bề mặt ống trơn (k1) đạt được là 276 W/(m2K).
Khi nồi hơi vận hành non tải thì tất cả các chỉ số trên đều giảm dần. Nếu lượng hơi sinh ra
chỉ là 50% thì hệ số truyền nhiệt cũng còn một nửa (132 W/m2K), nước cấp chỉ được nóng
thêm khoảng 22oC, công suất nhiệt thu hồi tương ứng là 10.3 kW. Rõ ràng ý nghĩa của tận
dụng nhiệt khói thải bị hạn chế. Điều đáng quan tâm nữa là nhiệt độ khói thải bị xuống thấp
Trang 35
Science & Technology Development, Vol 10, No.11 - 2007
hơn 130oC, có thể xảy ra sự ăn mòn do hiện tượng đọng sương phía khói khi đốt dầu DO; do
vậy cần có biện pháp phòng tránh, ví dụ như phải giới hạn chế độ vận hành quá non tải, hay
chấp nhận một công suất thu hồi nhiệt thải thấp hơn.
3.2.Trường hợp cố định lưu lượng nước
Thí nghiệm này nhằm phục vụ cho phương án lắp bộ ECO theo sơ đồ gián tiếp, lúc đó lưu
lượng nước Gn vào bộ ECO không đổi, được cấp bởi bơm tuần hoàn. Chúng tôi đã cố định Gn
= 14.1 l/ph, ứng với chế độ làm việc đầy tải của nồi hơi có năng suất qui ước 1 t/h.
Bảng 2: Các thông số khi giữ lưu lượng nước không đổi
tk1, oC
202.3
205.8
212.0
215.2
223.2
236.0
233.6
240.3
245.8
tk2, oC
92.7
Q, kW
14.48
14.11
17.20
17.85
18.30
20.21
21.92
24.38
23.99
k1, W/(m2K)
195.15
176.40
215.29
216.19
206.44
207.65
232.34
255.30
233.53
Δtn, oC
14.7
14.3
17.5
18.1
18.6
20.5
22.3
24.8
24.4
h
D, %
50.0
55.0
60.0
64.4
70.0
75.4
80.0
84.8
90.0
3.5
4.5
4.5
5
109.2
104.3
109.9
123.6
134.1
129.5
131.1
144.5
5
5
5
6
6
250
200
150
30
25
20
35
30
25
20
15
10
5
k1
k1 = 0.8415 D + 156.35
Dtn = 0.24 D + 2.6589
Dtn
Q
15
10
5
Q = 0.2361 D + 2.616
tk2
100
DTN
Q
tk2 = 1.3396 D + 26.052
50
45
55
65
75
D, %
85
95
45
55
65
75
85
95
D, %
Hình 5: Nhiệt độ khí sau bộ ECO tk2 [oC] và hệ số
truyền nhiệt k1 [W/(m2K)] khi lưu lượng nước không
đổi
Hình 4: Độ hâm nước Δtn [oC] và nhiệt lượng
trao đổi Q [kW] khi lưu lượng nước không đổi
Trang 36
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 10, SOÁ 11 - 2007
Ta thấy qui luật biến đổi các thông số theo phụ tải cũng tương tự như trường hợp trước,
nhưng giá trị của chúng có khác đi – nhất là khi lượng hơi sinh ra thấp.
Do lưu lượng nước luôn được duy trì ở mức cao nên khi nồi hơi vận hành non tải thì hệ số
truyền nhiệt không bị giảm mạnh, công suất nhiệt thu hồi cao hơn hẵn so với trường hợp trước.
Rõ ràng đây là ưu điểm vượt trội của phương án gia nhiệt gián tiếp. Độ hâm nước tuy bé, chỉ
15oC nếu phụ tải còn 50%, nhưng chỉ số này thực sự không có ý nghĩa lắm.
Mặt trái của phương án được thể hiện thông qua giá trị quá thấp của nhiệt độ khí thải. Do
vậy cần lựa chọn thật hợp lý chế độ làm việc của hệ thống khi áp dụng loại sơ đồ này.
3.3.Khi thay đổi nhiệt độ nước vào với lưu lượng không đổi
Đa số các hệ thống nhiệt hiện nay có đường ống thu hồi nước ngưng. Nhiệt độ nước cấp
nồi hơi sẽ cao tuỳ theo lượng nước ngưng hồi về nhà lò. Nếu áp dụng sơ đồ hâm nước gián
tiếp thì nhiệt độ nước ra tn2 và nhiệt lượng trao đổi Q sẽ biến đổi theo nhiệt độ nước vào bộ
hâm tn1 như ở hình 6, còn hệ số truyền nhiệt k1 và nhiệt độ khí thải tn2 như hình 7.
Nhiệt độ nước đầu vào tăng làm giảm đáng kể độ chênh nhiệt độ trung bình trong thiết bị
trao đổi nhiệt, nhiệt lượng tận dụng được do vậy bị giảm sút. Ngoài ra nước vào quá nóng còn
có thể gây nên sự hoá hơi không cần thiết trong bộ ECO. Nếu áp dụng sơ đồ gia nhiệt gián tiếp
thì không nên để nước vào bộ hâm nóng trên 70oC.
240
220
200
180
160
140
120
90
80
70
60
50
40
30
20
10
k
y = -0.8605x + 251.31
y = 0.8118x + 32.121
Tn2
Tn2
Q
y = 0.6877x + 127.52
Tk2
y = -0.1628x + 27.792
Q
Tk2
55
k
25
30
35
40
45
50
60
65
25
30
35
40
45
50
55
60
Tn1
65
Tn1
Hình 6: Nhiệt độ nước sau bộ ECO tn2 [oC] và Hình 7: Nhiệt độ khí thoát tk2 [oC] và hệ số truyền
nhiệt lượng trao đổi Q [kW] theo nhiệt độ nước nhiệt k1 [W/(m2K)] theo nhiệt độ nước vào
vào
4.KẾT LUẬN
Từ các kết quả thực hiện thí nghiệm chúng tôi rút ra một số kết luận về trao đổi nhiệt trong
bộ hâm nước kiểu dàn ống có cánh chế tạo trong nước như sau:
- Khi nồi hơi vận hành non tải, lưu lượng khói vào bộ ECO giảm nhanh chóng (tỉ lệ thuận
với tải), tốc độ dòng khí yếu dẫn đến sự sụt giảm của hệ số truyền nhiệt là đại lượng có vai trò
quyết định đến lượng nhiệt trao đổi. Năng suất thu hồi nhiệt của thiết bị giảm.
- Độ hâm nước Δtn giảm dần theo sự giảm tải, đạt mức (24 ÷ 30)oC. Như vậy nếu nước
cấp cho nồi hơi không được gia nhiệt trước thì nhiệt độ nước sau bộ ECO sẽ không hơn 60oC.
Trang 37
Science & Technology Development, Vol 10, No.11 - 2007
- Hệ số truyền nhiệt tính về phía mặt trong ống k1 = 258 W/(m2K) khi thiết bị làm việc ở
chế độ định mức.
- Nhiệt lượng trao đổi Q = (10 ÷ 25) kW cho khoảng chế độ tải (50 ÷ 100)%. Nếu tính
bình quân cho 1 mét ống có cánh thì Q1 = (1.2 ÷ 2.5) kW.
- Khi hồi nước ngưng nóng về nhà lò thì năng suất trao đổi nhiệt giảm một chút.
- Trở lực của dòng khí qua bộ ECO được thiết kế, chế tạo trong nước rất ổn định. Giá trị
lớn nhất đo được là 6 mmH20, không ảnh hưởng tới chế độ cháy.
So sánh các chỉ tiêu về tận dụng nhiệt thải xác định từ thực nghiệm với tính toán lý
thuyết [2] thì chúng đều kém hơn khoảng (10 ÷12)%. Điều này cho thấy thiết bị trao đổi nhiệt
do chúng ta tự chế tạo chắc chắn còn có hiệu suất thấp, cần thiết phải có sự hiệu chỉnh bổ
sung. Vì thế kết quả nghiên cứu trên chắc chắn rất hữu ích cho việc thiết kế và chế tạo bộ hâm
nước tận dụng nhiệt khói thải ở các nồi hơi công nghiệp đốt dầu DO hay đốt gas. Đối với nồi
hơi đốt dầu FO cần có thêm những nghiên cứu cụ thể hơn.
Bài báo này được thực hiện dưới sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ
hâm nước kiểu dàn ống có cánh để tận dụng nhiệt khói thải từ nồi hơi công nghiệp ống lò -
ống lửa nhằm nâng cao hiệu suất nồi hơi, tiết kiệm nhiên liệu” thuộc chương trình NCKH cấp
trọng điểm Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh.
STUDY ON HEAT TRANSFER IN ECONOMIZER APPLIED FOR
INDUSTRIAL BOILERS
Nguyen Van Tuyen
University of Technology, VNU-HCM
ABSTRACT: Boiler economizer with the heat exchanger of finned-tube type must be
designed compatibly with the whole boiler system. For this reason, calculation of the
economizer by using common formulas might lead to an unexpected error. Experimental
research has been made to verify some specific parameters of heat transfer taking place in the
equipment, such as temperature changes of the exhaust gas and feed water, overall heat-
transfer coefficient, amount of transferred heat, and total aerodynamic loss on the gas side.
Those figures have been determined for different boiler’s operating conditions. Possibilities
for applying results of the research in the field of oil-fired industrial boilers are discussed.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Văn Tuyên, Đặng Thành Trung, Khả năng tận dụng nhiệt khói thải từ lò hơi
công nghiệp ống lò - ống lửa để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Tạp chí
Khoa học và Công nghệ, Hội KHKT Nhiệt Việt Nam, 64, 17-19, (7/2005).
[2]. Nguyễn Văn Tuyên, Đặng Thành Trung, Nghiên cứu thiết kế bộ hâm nước tận dụng
nhiệt khói thải ở lò hơi công nghiệp ống lò - ống lửa. Tạp chí Phát triển Khoa học và
Công nghệ, ĐHQG HCM, 8, 74-80, (11/2005).
[3]. Bùi Hải, Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt. NXB Giao thông vận tải, Hà Nội,
(2002).
Trang 38
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 10, SOÁ 11 - 2007
[4]. Hoàng Đình Tín, Truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt. NXB Khoa học và
Kỹ thuật, Tp. HCM, (2001).
[5]. Rumsixki L.Z., Phương pháp toán học xử lý các kết quả thực nghiệm. NXB Khoa
học và Kỹ thuật, Hà Nội, (1972).
[6]. A Review of Heat Recovery Systems Used in Conjunction with Industrial Boilers.
Commission of the EC, (1993).
[7]. Kohan A.L., Spring H.M., Boiler Operator’s Guide. McGraw-Hill, (1991).
[8]. Soylemez M.S., On the Optimum Heat Exchanger Sizing for Heat Recovery. Energy
Conversion and Management 41, 1419 - 1427 (2001).
[9]. Yunus A. Cengel, Heat Transfer – A Practical Approach. McGraw-Hill, (2004).
Trang 39
8 trang
18620
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu đặc điểm trao đổi nhiệt trong bộ hâm nước tận dụng nhiệt khói thải nồi hơi công nghiệp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_dac_diem_trao_doi_nhiet_trong_bo_ham_nuoc_tan_dun.pdf
