Ver. 1.0 66
Ch−¬ng 5. Trao ®æi nhiÖt trong lß h¬i
Trao ®æi nhiÖt trong thiÕt bÞ lß h¬i bao gåm hai d¹ng lµ bøc x¹ vµ ®èi l−u.
Trong ph¹m vi buång löa trao ®æi nhiÖt bøc x¹ lµ chñ yÕu v× ë ®©y cã bøc x¹ trùc tiÕp
tõ ngän löa cã nhiÖt ®é cao ®Õn c¸c bÒ mÆt truyÒn nhiÖt bè trÝ trong buång löa, cßn
thµnh phÇn ®èi l−u ë ®©y kh«ng ®¸ng kÓ do tèc ®é cña dßng khãi nhá vµ do c¸c èng
sinh h¬i bÞ tro b¸m bÈn nªn cã trë lùc nhiÖt lín. Trong ®−êng khãi cña lß h¬i cã c¶
trao ®æi nhiÖt ®èi l−u vµ trao ®æi nhiÖt bøc x¹. Trong ®−êng khãi cã bøc x¹ nhiÖt lµ do
cã c¸c khÝ ba nguyªn tö vµ c¸c h¹t tro, h¹t than bay theo khãi, nh−ng trao ®æi nhiÖt
®èi l−u lµ chñ yÕu. ChÝnh v× vËy c¸c bÒ mÆt truyÒn nhiÖt ®Æt trong ®−êng khãi ®−îc
gäi lµ bÒ mÆt truyÒn nhiÖt ®èi l−u.
5.1 Kh¶ n¨ng bøc x¹ cña ngän löa
Dùa theo c−êng ®é bøc x¹ trong vïng phæ thÊy ®−îc ng−êi ta ph©n chia c¸c
d¹ng ngän löa s¸ng, nöa s¸ng, kh«ng s¸ng. Sù bøc x¹ cña ngän löa s¸ng vµ nöa s¸ng
lµ do c¸c h¹t ë thÕ r¾n trong s¶n phÈm ch¸y, ®ã lµ c¸c h¹t cèc, h¹t tro, h¹t må hang. Sù
bøc x¹ cña ngän löa kh«ng s¸ng lµ do cã c¸c khÝ ba nguyªn tö nh− SO2, CO2, H2O
trong buång löa.
C−êng ®é bøc x¹ cña c¸c h¹t r¾n trong ngän löa phô thuéc vµo kÝch th−íc c¸c
h¹t, tÝnh chÊt vµ nång ®é cña chóng trong thÓ tÝch cña buång löa. Sù bøc x¹ cña c¸c
chÊt khÝ ba nguyªn tö trong buång löa ®−îc x¸c ®inh bëi nång ®é c¸c chÊt khÝ nµy vµ
bëi chiÒu dµy cña thÓ tÝch bøc x¹.
HÖ sè bøc x¹ nhiÖt cña m«i tr−êng khÝ ®−îc biÓu thÞ qua ®Þnh luËt Bu-ghe
(Bouguer)
1
gp
g
kps
ae
−
=− , (5-1)
trong ®ã:
g
k lµ hÖ sè lµm yÕu tia bøc x¹ bëi mét m«i tr−êng khÝ;
p
p
lµ tæng ph©n ¸p suÊt cña c¸c khÝ ba nguyªn tö, MPa;
s lµ chiÒu dµy hiÖu qu¶ cña líp bøc x¹, m.
HÖ sè bøc x¹ cña ngän löa (hay ®é ®en cña ngän löa) khi ®èt nhiªn liÖu r¾n
®−îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc sau
1l
l
kps
ae
−
=− , (5-2)
trong ®ã:
l
k lµ hÖ sè lµm yÕu bøc x¹ bëi m«i tr−êng buång löa;
p
lµ ¸p suÊt cña c¸c chÊt khÝ trong buång löa, MPa.
ChiÒu dµy hiÖu qu¶ cña líp bøc x¹ trong buång löa s ®−îc tÝnh theo c«ng
thøc:
3, 6 bl
v
V
sF
=, m (5-3)
trong ®ã:
bl
V lµ thÓ tÝch buång löa, m3;
Ver. 1.0 67
v
F lµ diÖn tÝch c¸c t−êng buång löa m2.
Khi ®èt bét than trong buång löa phun,
ngän löa s¸ng cho¸n hÇu nh− toµn bé thÓ tÝch
buång löa (xem h×nh vÏ 5.1) vµ ®é chiÕu s¸ng
cña
ngän löa kh¸ ®ång ®Òu theo
chiÒu cao cña buång löa. HÖ
sè lµm yÕu bøc x¹ bëi m«i
tr−êng buång löa ®−îc tÝnh
theo c«ng thø:
kkrk k
l
g
ntrtrc
=
+µ+χ
kkrk k
l
g
ntrtrc
=+µ+χ, (5-4)
trong ®ã:
()
rr r
22
nROHO
=+lµ tæng c¸c phÇn thÓ tÝch cña c¸c khÝ ba nguyªn tö;
tr
k lµ hÖ sè lµm yÕu bøc x¹ bëi c¸c h¹t tro;
tr
µ
lµ nång ®é tro trong khãi;
c
k lµ hÖ sè lµm yÕu bøc x¹ bëi c¸c h¹t cèc;
χ
lµ hÖ sè kÓ ®Õn kh¶ n¨ng ph¶n øng cña nhiªn liÖu (kÐm ph¶n øng hay cã
kh¶ n¨ng ph¶n øng cao).
Ngän löa sinh ra khi ®èt nhiªn liÖu r¾n nãi chung thuéc kiÓu ngän löa nöa
s¸ng. Ngän löa khi ®èt khÝ vµ ®èt FO quy −íc gåm hai phÇn lµ phÇn s¸ng vµ phÇn
kh«ng s¸ng, do vËy hÖ sè bøc x¹ nhiÖt cña ngän löa (®é ®en cña ngän löa) ®−îc x¸c
®Þnh nh− sau:
()
ama 1ma
ls ks
=+− , (5-5)
trong ®ã:
s
a lµ hÖ sè bøc x¹ nhiÖt cña phÇn ngän löa s¸ng ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc
(5-2), cßn kl ®−îc thay b»ng ks: kk kr
sm
n
=
+, víi m
k lµ hÖ sè lµm yÕu tia bøc x¹ bëi
c¸c h¹t må hãng; ks
a lµ hÖ sè bøc x¹ nhiÖt cña phÇn ngän löa kh«ng s¸ng, tøc lµ cña
m«i tr−êng khÝ ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc (5-1);
m lµ hÖ sè x¸c ®Þnh phÇn thÓ tÝch buång löa bÞ t©m ngän löa cho¸n ®Çy.
Khi ®èt khÝ thiªn nhiªn: 0,1m
=
.
Khi ®èt FO: 0,55m
=
.
Khi ®èt nhiªn liÖu r¾n: 1m
=
.
HÖ sè bøc x¹ nhiÖt cña buång löa (hay ®é ®en cña buång löa) bl
a ®−îc x¸c
®Þnh qua hÖ sè bøc x¹ nhiÖt cña ngän löa l
a vµ hÖ sè hiÖu qu¶ nhiÖt cña dµn èng trªn
t−êng, cô thÓ lµ:
H×nh 5.1. Sù thay ®æi ®é ®en ngän
löa theo chiÒu cao buång löa.
1-khi ®èt bét than; 2-khi ®èt mazut
(FO)
Ver. 1.0 68
1
a1
11
a
bl
d
l
=⎛⎞
+−ψ
⎜⎟
⎝⎠
. (5-6)
Dßng nhiÖt bøc x¹ trung b×nh ®−îc c¸c dµn èng sinh h¬i hÊp thu lµ
4
3
T
qca 10
100
l
bx 0 bl d
−
⎛⎞
=ψ
⎜⎟
⎝⎠ , kW/m2 (5-7)
trong ®ã:
l
T lµ nhiÖt ®é hiÖu qu¶ trung b×nh cña m«i tr−êng khÝ trong buång löa, K;
d
ψ
lµ hÖ sè hiÖu qu¶ nhiÖt cña dµn èng ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau:
x
d
ψ=ξ, (5-8)
víi
x
lµ hÖ sè gãc vµ
ξ
lµ hÖ sè b¸m bÈn quy −íc.
5.2 TÝnh trao ®æi nhiÖt bøc x¹ trong buång löa
Sù truyÒn nhiÖt tõ ngän löa ®Õn c¸c dµn èng sinh h¬i ®Æt trªn t−êng buång löa
lµ mét qu¸ tr×nh rÊt phøc t¹p, ë ®©y qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt x¶y ra ®ång thêi víi qu¸
tr×nh ch¸y nhiªn liÖu. chÝnh sù ch¸y nhiªn liÖu ®· t¹o ra nguån nhiÖt bªn trong m«i
tr−êng bøc x¹.
Ph−¬ng ph¸p tÝnh trao ®æi nhiÖt trong buång löa dùa trªn viÖc sö dông ®ång
thêi c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu gi¶i tÝch vµ thùc nghiÖm. Ph−¬ng ph¸p nµy xuÊt ph¸t tõ
kh¶ n¨ng øng dông lý thuyÕt ®ång d¹ng ®Ó ph©n tÝch c¸c qu¸ tr×nh x¶y ra trong buång
löa.
C«ng thøc b¸n thùc nghiÖm cña A. M. Gurvich ®−îc viÕt d−íi d¹ng kh«ng thø
nguyªn sau ®©y ®−îc dïng lµm c¬ së ®Ó tÝnh trao ®æi nhiÖt trong buång löa:
0,6
"
0,6
Bo
Bo Ma
bl 0,6
bl
θ= + , (5-9)
C«ng thøc nµy thÓ hiÖn sù liªn hÖ gi÷a nhiÖt ®é kh«ng thø nguyªn cña khãi ë
cöa ra buång löa bl
''
θ
vµ tiªu chuÈn Boltzmann (Bo), tiªu chuÈn nµy ®Æc tr−ng cho tû
lÖ gi÷a l−îng nhiÖt sinh ra khi ch¸y nhiªn liÖu so víi c−êng ®é táa nhiÖt tèi ®a ®Õn c¸c
bÒ mÆt dµn èng ®Æt trªn t−êng. §Æc tÝnh cña tr−êng nhiÖt ®é trong thÓ tÝch buång löa
còng ®−îc kÓ ®Õn qua hÖ sè
M
.
NhiÖt ®é kh«ng thø nguyªn cña khãi bl
''
θ
lµ tû sè gi÷a nhiÖt ®é khãi ë cöa ra
buång löa bl
''T (K) vµ nhiÖt ®é ®o¹n nhiÖt (nhiÖt ®é ch¸y lý thuyÕt) a
T (K):
T
T
bl
bl
a
''
''θ= , (5-10)
Chóng ta lu«n lu«n cã 1
bl
''
θ
<
vµ nã ®Æc tr−ng cho møc ®é gi¶m nhiÖt ®é cña
khãi trong thÓ tÝch buång löa do cã trao ®æi nhiÖt.
Sè
Bo ®−îc x¸c ®Þnh theo c¸c c«ng thøc sau:
Ver. 1.0 69
BVc
Bo cFT
tt
gg
3
0dva
ϕ
=ψ, (5-11)
vµ 4
BQ 1
Bo cFT1
tt bx
0dva bl
''
=ψ−θ
. (5-12)
§Æc tÝnh nhiÖt chñ yÕu cña buång löa lµ l−îng nhiÖt sinh ra h÷u Ých trong
buång löa bl
Q vµ entanpi cña khãi ë chç ra khái buång löa (ë cöa ra buång löa) bl
''
I
.
NhiÖt l−îng sinh ra h÷u Ých trong buång löa bl
Q ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau:
346
4
100 q q q
QQ QQ Q
100 q
lv
bl tr kk kkn
g
tth
−−−
=+−+
−, (5-13)
trong ®ã:
Qlv
tr lµ nhiÖt l−îng tµng tr÷ trong nhiªn liÖu dïng ®Ó ®èt;
kk
Q lµ nhiÖt l−îng do kh«ng khÝ nãng vµ kh«ng khÝ l¹nh mang vµo buång löa;
kkn
g
Q lµ nhiÖt l−îng kh«ng khÝ thu ®−îc do nã ®−îc sÊy s¬ bé ë phÝa tr−íc bé
sÊy kh«ng khÝ chÝnh cña lß h¬i;
tth
Q lµ nhiÖt l−îng do khãi t¸i tuÇn hoµn tõ “®u«i lß” vÒ buång löa.
NhiÖt l−îng do kh«ng khÝ mang vµo buång löa kk
Q bao gåm nhiÖt l−îng trong
kh«ng khÝ nãng vµ nhiÖt l−îng do kh«ng khÝ l¹nh lät vµo buång löa, tøc lµ:
Q
kk = Qkkn + Qkkl (5-14)
=
()
()
(
)
(
)
kkl
0
kkngbl
kkl
0
kkngblbl CtVCtV α∆+α∆+α∆−α∆−α
,(5-14)
trong ®ã:
bl
α
∆ lµ hÖ sè lät kh«ng khÝ l¹nh vµo buång löa;
n
g
α
∆ lµ hÖ sè lät kh«ng khÝ l¹nh vµo hÖ thèng nghiÒn than.
Entanpi cña khãi ë cöa ra buång löa bl
''
I
®−îc x¸c ®Þnh theo b¶ng I
θ
− øng
víi gi¸ trÞ nhiÖt ®é khãi ë cöa ra buång löa bl
''
θ
®· chän tr−íc ®©y.
NÕu nh− toµn bé nhiÖt l−îng sinh ra h÷u Ých trong buång löa bl
Q ®−îc truyÒn
hoµn toµn cho s¶n phÈm ch¸y th× ta cã nhiÖt ®é ch¸y lý thuyÕt (cùc ®¹i) vµ th−êng gäi
lµ nhiÖt ®é ch¸y ®o¹n nhiÖt cña nhiªn liÖu:
()
Q
Vc
bl
a
tb
θ= , (5-15)
trong ®ã
()
tb
Vc lµ tæng nhiÖt dung riªng trung b×nh cña s¶n phÈm ch¸y 1 kg nhiªn liÖu
trong kho¶ng nhiÖt ®é 0a
θ
÷ (kJ/kgK). NhiÖt ®é ch¸y ®o¹n nhiÖt phô thuéc vµo d¹ng
nhiªn liÖu vµ vµo hÖ sè kh«ng khÝ thõa vµ cã gi¸ trÞ nh− sau:
1700 1850
a
θ
=÷ oC ®èi víi than n©u vµ than bïn;
1850 2100
a
θ
=÷ oC ®èi víi than ®¸, antraxit, FO vµ khÝ thiªn nhiªn.
Ver. 1.0 70
ViÖc tÝnh to¸n trao ®æi nhiÖt trong buång löa dùa trªn hai ph−¬ng tr×nh chñ
yÕu sau:
- Ph−¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt:
()
(
)
(
)
QQI Vc
bx bl bl a bl
g
'' ''=ϕ − =ϕ θ −θ , (5-16)
- Ph−¬ng tr×nh trao ®æi nhiÖt bøc x¹:
()
11
B Q c a xF T T 10
44
tt bx 0 bl v l tr
−
=−, (5-17)
ë ®©y
ϕ
lµ hÖ sè gi÷ nhiÖt;
(
)
g
Vc lµ nhiÖt dung trung b×nh cña c¸c chÊt khÝ
trong kho¶ng nhiÖt ®é abl
''θ÷θ (kJ/kgoK).
Ph−¬ng tr×nh (5-17) cã thÓ ®−îc viÕt d−íi d¹ng kh¸c:
11
T
BQ ca xFT 1 .10
T
4
4tr
tt bx 0 bl v l 4
l
−
⎛⎞
=−
⎜⎟
⎝⎠
. (5-18)
Khi thay T
1T
4
tr
4
l
ξ= − vµ x
d
ψ=ξ ta ®−îc:
11
BQ ca FT10
4
tt bx 0 bl d v l
−
=ψ . (5-19)
Tõ (5-19) ta t×m ®−îc diÖn tÝch cña t−êng buång löa:
11
BQ
F10
ca T
tt bx
v4
0bl dl
=ψ, m2 (5-20)
HÖ sè M kÓ ®Õn ®Æc tÝnh cña tr−êng nhiÖt ®é trong buång löa cÇn ®−îc ®−a vµo
c«ng thøc (5-20), hÖ sè nµy ®−îc x¸c ®Þnh tïy thuéc vµo vÞ trÝ t−¬ng ®èi cña ®iÓm cã
nhiÖt ®é cùc ®¹i trong buång löa X:
M = A- B.x, (5-21)
trong ®ã A vµ
B
lµ c¸c hÖ sè thùc nghiÖm, c¸c hÖ sè nµy cã gi¸ trÞ kh¸c nhau khi ®èt
c¸c d¹ng nhiªn liÖu kh¸c nhau.
§èi víi buång löa mét buång:
- §èt FO vµ nhiªn liÖu khÝ: M0,540,2X
=
−;
- §èt nhiªn liÖu r¾n cã kh¶ n¨ng ph¶n øng cao trong buång löa phun vµ trong
buång löa ghi: M = 0,59 – 0,5M;
- §èt nhiªn liÖu r¾n kÐm ph¶n øng (antraxit vµ than gÇy) trong buång löa phun
vµ c¸c lo¹i than cã ®é tro cao: M = 0,59 – 0,5M;
§èi víi buång löa phun gi¸ trÞ tèi ®a cña
M
lÊy kh«ng lín h¬n 0,5 kh«ng phô thuéc
vµo
X
.
VÞ trÝ t−¬ng ®èi cña ®iÓm cã nhiÖt ®é cùc ®¹i trong buång löa
X
®−îc x¸c
®Þnh b»ng tû sè gi÷a kho¶ng c¸ch tõ ®¸y buång löa hay tõ gi÷a phÔu tro l¹nh ®Õn mÆt
ph¼ng cã nhiÖt ®é cùc ®¹i cña khãi (th−êng ë ®é cao cña trôc vßi phun) hvf vµ kho¶ng
c¸ch ®Õn gi÷a cöa ra buång löa Hbl (xem h×nh vÏ 5.2):
h
XH
=vf
bl
, (5-22)