Giáo trình Lò hơi: Phần 2

Ch−¬ng 6. Qu¸ tr×nh thñy ®éng trong lß h¬i<br /> 6.1 B¶n chÊt vµ ý nghÜa cña sù tuÇn hoµn n−íc trong lß h¬i.<br /> ChÕ ®é nhiÖt ®é cña èng ®−îc ®èt nãng.<br /> Sù lµm viÖc tin cËy cña thiÕt bÞ lß h¬i yªu cÇu ph¶i tæ chøc ®óng ®¾n c¸c qu¸<br /> tr×nh x¶y ra trong phÇn h¬i n−íc cña lß tøc lµ c¸c qu¸ tr×nh bªn trong lß ®Ó ®¶m b¶o<br /> cho nhiÖt ®é v¸ch èng kim lo¹i gÇn nhÊt víi nhiÖt ®é cña m«i chÊt. Mét trong nh÷ng<br /> qu¸ tr×nh quan träng Êy lµ sù tuÇn hoµn cña n−íc, nã t¹o ra sù chuyÓn ®éng liªn tôc<br /> cña n−íc vµ hçn hîp h¬i n−íc trong lß vµ kÕt qu¶ lµ cã thÓ thu nhiÖt tõ bÒ mÆt kim<br /> lo¹i víi c−êng ®é cao.<br /> ë bé h©m n−íc vµ bé qu¸ nhiÖt th× sù chuyÓn<br /> ®éng cña n−íc vµ h¬i lµ do t¸c dông c−ìng bøc cña<br /> b¬m hay hiÖu ¸p suÊt gi÷a h¬i trong bao h¬i vµ trong<br /> bé qu¸ nhiÖt. Trong bÒ mÆt ®èt sinh h¬i sù chuyÓn<br /> ®éng cña n−íc vµ hçn hîp h¬i n−íc lµ do t¸c dông<br /> c−ìng bøc cña b¬m tuÇn hoµn hoÆc do chªnh lÖch<br /> khèi l−îng riªng cña m«i chÊt ®−îc ®èt nãng vµ<br /> kh«ng ®−îc ®èt nãng tøc lµ tuÇn hoµn tù nhiªn. VÝ dô<br /> vÒ mét vßng tuÇn hoµn tù nhiªn ®¬n gi¶n ®−îc biÓu<br /> diÔn trong h×nh vÏ 6.1.<br /> Vßng tuÇn hoµn lµ mét vßng kÝn gåm bao<br /> h¬i c¸c èng ®Êu song song vµ èng gãp. Trong vßng<br /> tuÇn hoµn hçn hîp h¬i n−íc chØ chuyÓn ®éng trong<br /> H×nh 6.1.S¬ ®å vßng tuÇn<br /> mét phÇn cña vßng tuÇn hoµn v× trong bao h¬i trªn<br /> hoµn tù nhiªn ®¬n gi¶n.<br /> hay èng gãp trªn c¸c bät h¬i t¸ch ra khái n−íc, cßn<br /> htb lµ chiÒu cao vßng tuÇn<br /> n−íc<br /> l¹i tiÕp tôc tuÇn hoµn nhiÒu lÇn trong vßng.<br /> hoµn; hkdn lµ chiÒu cao<br /> Thùc ra vßng tuÇn hoµn thùc tÕ phøc t¹p h¬n,<br /> ®o¹n èng kh«ng ®èt nãng;<br /> hs lµ chiÒu cao cña ®iÓm<br /> nh−ng khi c¸c èng ®−îc ®èt nãng nh− nhau vµ cã c¸c<br /> b¾t ®Çu s«i; hdn lµ chiÒu<br /> kÝch<br /> cao<br /> ®o¹n<br /> èng<br /> cã<br /> ®èt<br /> nãng.<br /> th−íc nh− nhau th× ta còng cã thÓ coi nã nh− mét vßng tuÇn hoµn ®¬n gi¶n.<br /> Sù lµm viÖc tin cËy cña c¸c bÒ mÆt ®èt ®−îc x¸c ®Þnh bëi chÕ ®é nhiÖt ®é cña<br /> kim lo¹i èng. Khi t¨ng nhiÖt ®é th× søc bÒn cña kim lo¹i gi¶m ®i. Mçi lo¹i thÐp cã<br /> mét nhiÖt ®é giíi h¹n cho phÐp, khi v−ît nhiÖt ®é Êy trong thêi gian dµi cã thÓ dÉn<br /> ®Õn h− háng èng. èng còng cã thÓ bÞ h− háng khi nhiÖt ®é v¸ch cña nã bÞ dao ®éng<br /> mét c¸ch hÖ thèng mÆc dï nhiÖt ®é v¸ch thÊp h¬n nhiÖt ®é giíi h¹n cho phÐp, v× dao<br /> ®éng nhiÖt ®é mµ sinh ra nh÷ng néi øng suÊt bæ sung, khi sè chu kú dao ®éng kh¸ lín<br /> th× øng suÊt nµy lµm h− háng kim lo¹i do hiÖn t−îng mái.<br /> Møc ®é lµm viÖc tin cËy cña bÒ mÆt ®èt ®−îc x¸c ®Þnh bëi ®é lµm viÖc tin cËy<br /> cña mäi èng ®Êu song song. NÕu mét èng nµo ®ã lµm viÖc kh«ng tin cËy th× sù lµm<br /> viÖc cña toµn bÒ mÆt ®èt lµ kh«ng tin cËy. Do ®ã chÕ ®é lµm viÖc cña mçi èng ph¶i<br /> kh¸c rÊt Ýt so víi chÕ ®é tÝnh to¸n trung b×nh. NhiÖt ®é kim lo¹i v¸ch èng ®−îc tÝnh<br /> theo c«ng thøc sau:<br /> <br /> complete<br /> <br /> 198<br /> <br /> ⎛<br /> 1 ⎞ o<br /> δ<br /> , C<br /> t V = t + ∆t T + βµq max ⎜<br /> +<br /> ⎜ λ (1 + β ) α ⎟⎟<br /> 2 ⎠<br /> ⎝ M<br /> <br /> (6-1)<br /> <br /> trong ®ã:<br /> t lµ nhiÖt ®é trung b×nh cña m«i chÊt l−u ®éng trong èng ë tiÕt diÖn tÝnh to¸n, oC;<br /> ∆tT lµ ®é v−ît cña nhiÖt ®é m«i tr−êng l−u ®éng trong èng so víi nhiÖt ®é<br /> trung b×nh, oC;<br /> µ lµ hÖ sè khuÕch t¸n nhiÖt theo chu vi èng, lµ tû sè gi÷a nhiÖt ®é thùc tÕ vµ<br /> nhiÖt ®é mµ èng cã thÓ cã khi nã ®−îc ®èt nãng ®ång ®Òu bëi dßng nhiÖt qmax , ®èi víi<br /> èng sinh h¬i cña lß h¬i cã ¸p suÊt d−íi tíi h¹n lÊy µ = 1 ;<br /> β = d d tr = d ( d − 2δ ) lµ tû sè gi÷a ®−êng kÝnh ngoµi vµ ®−êng kÝnh trong cña<br /> èng;<br /> δ lµ chiÒu dµy v¸ch èng, m;<br /> λM lµ hÖ sè dÉn nhiÖt cña kim lo¹i v¸ch èng, kW/mK, nã phô thuéc vµo nh·n<br /> hiÖu thÐp vµ vµo nhiÖt ®é. §Ó tÝnh λM th× lÊy nhiÖt ®é tV = t + 50 oC;<br /> α 2 lµ hÖ sè táa nhiÖt tõ v¸ch èng ®Õn m«i tr−êng ®−îc ®èt nãng, kW/m2K;<br /> qmax lµ phô t¶i nhiÖt ®é ë ®iÓm hÊp thu nhiÖt cùc ®¹i cña èng chÞu phô t¶i lín<br /> nhÊt, kW/m2.<br /> Tõ c«ng thøc (6-1) ta thÊy r»ng nhiÖt ®é v¸ch èng phô thuéc vµo nhiÖt ®é m«i<br /> chÊt l−u ®éng trong èng, vµo phô t¶i nhiÖt vµ hÖ sè táa nhiÖt α 2 .<br /> Tr−êng hîp nguy hiÓm nhÊt cho sù lµm viÖc cña kim lo¹i lµ sù kÕt hîp (kh«ng<br /> thuËn lîi) gi÷a phô t¶i nhiÖt cao vµ nhiÖt ®é m«i chÊt cao cã kÌm theo gi¸ trÞ thÊp cña<br /> α 2 vµ λM khi èng cã v¸ch dµy.<br /> Phô t¶i nhiÖt phô thuéc vµo chç ®Æt bÒ mÆt ®èt. ë buång löa bét than phô t¶i<br /> nhiÖt trung b×nh cña c¸c bÒ mÆt ®èt bøc x¹ b»ng q = 20 ÷ 50 kW/m2. Phô t¶i nhiÖt lín<br /> nhÊt ë vïng trung t©m ngän löa khi ®èt nhiªn liÖu r¾n ®¹t ®Õn 250 ÷ 300 kW/m2, khi<br /> ®èt nhiªn liÖu láng b»ng 500 ÷ 600 kW/m2.<br /> ë c¸c bÒ mÆt ®èt ®èi l−u phô t¶i nhiÖt Ýt khi lín h¬n 50 ÷ 75 kW/m2, ë c¸c bÒ<br /> mÆt ®èt ®Æt xa buång löa phô t¶i nhiÖt gi¶m ®Õn 2 ÷ 10 kW/m2. HÖ sè dÉn nhiÖt cña<br /> kim lo¹i λM phô thuéc thµnh phÇn hãa häc cña thÐp vµ nhiÖt ®é.<br /> HÖ sè táa nhiÖt bªn trong èng α 2 khi dßng mét pha chuyÓn ®éng trong èng (h¬i,<br /> n−íc) ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:<br /> 0,8<br /> B ( ρω)<br /> , kW/m2K ,<br /> (6-2)<br /> α 2 = 0, 24<br /> d 0,2<br /> td<br /> 0,4<br /> <br /> ⎛C ⎞<br /> trong ®ã B = ⎜ P ⎟ λ 0,6 lµ hÖ sè phô thuéc vµo lo¹i vËt chÊt vµ nhiÖt ®é.<br /> ⎝ µ ⎠<br /> C¸c th«ng sè vËt lý ®−îc tÝnh theo nhiÖt ®é cña dßng. Tõ c«ng thøc (6-2) ta<br /> thÊy hÖ sè táa nhiÖt α 2 tû lÖ thuËn víi tèc ®é lòy thõa 0,8 . Cho nªn cã thÓ nhËn ®−îc<br /> <br /> complete<br /> <br /> 199<br /> <br /> hÖ sè táa nhiÖt ®èi l−u tháa m·n vÒ kü thuËt b»ng c¸ch t¨ng tèc ®é khèi l−îng (ρω ) .<br /> HÖ sè B ®Æc tr−ng cho c¸c th«ng sè vËt lý vµ thay ®æi tïy thuéc ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é.<br /> Khi n−íc s«i chuyÓn ®éng trong c¸c èng sinh h¬i th× hÖ sè táa nhiÖt phô thuéc<br /> chÕ ®é chuyÓn ®éng cña dßng vµ phô t¶i nhiÖt. Khi s«i m¹nh th× cã hÖ sè táa nhiÖt cao<br /> (kho¶ng 10 ÷ 150 kW/m2K, ®ång thêi khi t¨ng q th× α 2 t¨ng lªn cho ®Õn khi ®¹t ®Õn<br /> phô t¶i tíi h¹n qth . Do vËy nhiÖt ®é v¸ch èng trong tr−êng hîp s«i m¹nh gÇn b»ng<br /> nhiÖt ®é s«i. Sau khi ®¹t ®Õn qth th× hÖ sè táa nhiÖt gi¶m xuèng ®ét ngét tïy thuéc sù<br /> chuyÓn ®éng cña dßng hai pha.<br /> 6.2 C¸c chÕ ®é chuyÓn ®éng cña dßng hçn hîp h¬i n−íc<br /> 6.2.1. èng ®øng:<br /> Cã bèn chÕ ®é chuyÓn ®éng c¬ b¶n cña hçn hîp h¬i n−íc trong èng th¼ng<br /> ®øng nh− sau (h×nh vÏ 6.2):<br /> 1. ChuyÓn ®éng cña c¸c bät h¬i nhá trong n−íc chñ yÕu däc theo trôc èng d−íi<br /> d¹ng xÝch. ChuyÓn ®éng cña c¸c bät h¬i nh− vËy gäi lµ chÕ ®é chuyÓn ®éng bät, chÕ<br /> ®é nµy tån t¹i khi hµm l−îng h¬i bÐ.<br /> 2. ChuyÓn ®éng cña c¸c bät h¬i liÒn thµnh c¸c bät h¬i lín trong n−íc, ®«i khi c¸c<br /> bät lín nµy cã chiÒu dµi ®Õn 0,5 m vµ lín h¬n vµ tr«ng gièng ®Çu ®¹n. Ng−êi ta gäi<br /> nã lµ chÕ ®é chuyÓn ®éng ®Çu ®¹n, vµ nã tån t¹i khi tèc ®é chuyÓn ®éng cña hçn hîp<br /> h¬i n−íc lín h¬n tèc ®é trong chÕ ®é chuyÓn ®éng bät. ë ®©y c¸c ®Çu ®¹n h¬i c¸ch ly<br /> v¸ch èng b»ng mét mµng n−íc.<br /> 3. ChuyÓn ®éng cña cét h¬i liªn tôc d−íi d¹ng thanh dµi cã c¸c giät n−íc lÉn<br /> vµo, cét h¬i c¸ch bÒ mÆt èng bëi mét mµng n−íc máng. ChÕ ®é nµy gäi lµ chÕ ®é<br /> chuyÓn ®éng thanh, chÕ ®é nµy x¶y ra khi tèc ®é cña hçn hîp h¬i n−íc lín h¬n tèc ®é<br /> trong chÕ ®é ®Çu ®¹n.<br /> 4. ChuyÓn ®éng cña h¬i víi sù ph©n bè ®Òu c¸c giät Èm trªn toµn tiÕt diÖn èng<br /> ®−îc gäi lµ chÕ ®é chuyÓn ®éng nhò t−¬ng, nã x¶y ra khi hµm l−îng h¬i cao h¬n so<br /> víi chÕ ®é thanh.<br /> <br /> H×nh 6.2. C¸c chÕ ®é chuyÓn ®éng cña hçn<br /> hîp h¬i n−íc trong èng ®øng<br /> a - Bät;<br /> b - ®Çu ®¹n;<br /> c - thanh;<br /> d - nhò t−¬ng.<br /> <br /> ChÕ ®é chuyÓn ®éng thanh cña hçn hîp h¬i n−íc lµ tèt nhÊt v× mµng máng<br /> n−íc däc theo v¸ch èng sÏ lÊy nhiÖt ra khái v¸ch kim lo¹i èng, do ®ã èng ®−îc lµm<br /> m¸t vµ nhiÖt ®é kim lo¹i èng sÏ gÇn b»ng nhiÖt ®é m«i chÊt chuyÓn ®éng trong èng.<br /> <br /> complete<br /> <br /> 200<br /> <br /> 6.2.2. èng n»m ngang:<br /> ë èng n»m ngang lùc hÊp dÉn t¸c dông vu«ng gãc víi ph−¬ng dßng ch¶y. V×<br /> thÕ sù ph©n bè pha trong tiÕt diÖn èng phô thuéc vµo t−¬ng quan gi÷a lùc n©ng vµ lùc<br /> hÊp dÉn. Tèc ®é dßng cµng lín lùc n©ng cµng lín, phÇn t©m dßng cµng ®−îc b·o hßa<br /> nhiÒu bät h¬i h¬n vµ dßng cµng gÇn ®èi xøng h¬n. Khi gi¶m tèc ®é th× cµng mÊt tÝnh<br /> ®èi xøng cña dßng, n−íc sÏ n»m ë phÇn d−íi cña èng.<br /> Khi tèc ®é dßng nhá qu¸ d−íi mét møc nµo ®ã th× lùc hÊp dÉn lín h¬n h¼n lùc<br /> n©ng vµ dßng bÞ ph©n líp, cã nghÜa lµ h¬i chuyÓn ®éng phÝa trªn vµ n−íc phÝa d−íi<br /> nh− biÓu diÔn trong h×nh vÏ 6.3.<br /> <br /> H×nh 6.3. ChÕ ®é l−u ®éng<br /> ph©n líp cña hçn hîp h¬i n−íc.<br /> <br /> 6.3. C¸c ®Æc tÝnh, th«ng sè vµ ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña m«i chÊt<br /> 6.3.1. C¸c ph−¬ng tr×nh thñy ®éng lùc vµ trao ®æi nhiÖt chñ yÕu trong ®−êng h¬i<br /> - n−íc cña lß h¬i<br /> C¸c qu¸ tr×nh thñy ®éng lùc vµ trao ®æi nhiÖt trong ®−êng h¬i n−íc cña lß h¬i<br /> x¶y ra trong c¸c èng. V¸ch èng cã c¸c tÝnh chÊt nhÊt ®Þnh nh−: tÝnh dÉn nhiÖt, nhiÖt<br /> dung, khèi l−îng. Trªn bÒ mÆt èng diÔn ra c¸c qu¸ tr×nh tõ m«i tr−êng xung quanh<br /> ®Õn bÒ mÆt ngoµi cña èng vµ tõ bÒ mÆt trong cña èng ®Õn m«i chÊt l−u ®éng trong<br /> èng. C¸c tÝnh chÊt cña v¸ch èng vµ c¸c qu¸ tr×nh diÔn ra trªn v¸ch èng ®−îc kÓ ®Õn<br /> b»ng nh÷ng ®iÒu kiÖn biªn cña c¸c ph−¬ng tr×nh m« t¶ c¸c qu¸ tr×nh diÔn ra trong<br /> ®−êng h¬i - n−íc. C¸c ph−¬ng tr×nh nµy gåm cã: ph−¬ng tr×nh c©n b»ng vËt chÊt,<br /> ph−¬ng tr×nh c©n b»ng n¨ng l−îng cña dßng m«i chÊt vµ v¸ch bäc dßng vµ ph−¬ng<br /> tr×nh chuyÓn ®éng (hay cßn gäi lµ ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng).<br /> - Ph−¬ng tr×nh c©n b»ng vËt chÊt cã d¹ng sau:<br /> ∂G<br /> ∂ρ<br /> (6-3)<br /> +f<br /> = 0;<br /> ∂z<br /> ∂τ<br /> - Ph−¬ng tr×nh c©n b»ng n¨ng l−îng cña dßng m«i chÊt:<br /> ∂ ( Gi )<br /> ∂ ( ρi )<br /> +f<br /> = qt ;<br /> (6-4)<br /> ∂z<br /> ∂τ<br /> - Ph−¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt cña v¸ch r·nh (èng) bÞ ®èt nãng:<br /> ∂t<br /> (6-5)<br /> q t = q ng − mC kl kl = αC ( t kl − t ) .<br /> ∂z<br /> Trong c¸c ph−¬ng tr×nh trªn cã c¸c ký hiÖu nh− G , ρ , i , z t−¬ng øng lµ l−u<br /> l−îng ch¶y qua r·nh (èng), mËt ®é, entanpi, vµ täa ®é trïng víi ph−¬ng chuyÓn ®éng<br /> <br /> complete<br /> <br /> 201<br /> <br /> cña m«i chÊt; f , qt , qng lÇn l−ît lµ diÖn tÝch tiÕt diÖn, mËt ®é dßng nhiÖt tuyÕn tÝnh<br /> trªn bÒ mÆt trong vµ bÒ mÆt ngoµi cña r·nh (èng); m lµ khèi l−îng cña 1 m kim lo¹i<br /> v¸ch r·nh (èng) (cßn gäi lµ khèi l−îng tuyÕn tÝnh cña kim lo¹i v¸ch r·nh); tkl , Ckl lµ<br /> nhiÖt ®é vµ nhiÖt dung cña kim lo¹i; α lµ hÖ sè táa nhiÖt tõ v¸ch ®Õn m«i chÊt; C lµ<br /> chu vi bªn trong cña tiÕt diÖn r·nh (víi èng ta cã C = π d t ).<br /> - Ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng hay cßn gäi lµ ph−¬ng tr×nh b¶o toµn ®éng l−îng<br /> cña m«i chÊt l−u ®éng trong r·nh cã d¹ng sau:<br /> ∂p<br /> ∂ω<br /> ∂ω<br /> ω2ρ<br /> (6-6)<br /> −<br /> =ρ<br /> + ρω<br /> +k<br /> ± ρ g sin α .<br /> ∂z<br /> ∂τ<br /> ∂z<br /> 2<br /> TÝch ph©n hai vÕ ph−¬ng tr×nh (6-6) trong giíi h¹n tõ ®Çu r·nh<br /> z = 0 (ω = ω1 , p = p1 ) ®Õn cuèi r·nh z = l (ω = ω2 , p = p 2 ) ta ®−îc ph−¬ng tr×nh ®éng<br /> l−îng d−íi d¹ng tÝch ph©n nh− sau:<br /> ω2<br /> l<br /> l<br /> h<br /> ω2ρ<br /> ∂ω<br /> p1 − p 2 = ∫ k<br /> dz + ∫ ωρ dω + ∫<br /> dz ± g ∫ ρ dh , (6-7)<br /> 2<br /> ∂τ<br /> 0<br /> 0<br /> 0<br /> ω1<br /> <br /> trong ®ã h = l sin α .<br /> Ta thÊy r»ng trong vÕ ph¶i cña ph−¬ng tr×nh (6-7) c¸c sè h¹ng lÇn l−ît biÓu<br /> diÔn lùc ma s¸t, lùc gia tèc dßng, lùc qu¸n tÝnh, vµ lùc träng tr−êng. Nh− vËy gi¸ng ¸p<br /> trong r·nh ∆p = p1 − p2 dïng ®Ó kh¾c phôc bèn lo¹i lùc sinh ra khi chÊt láng chuyÓn<br /> ®éng trong ®ã.<br /> - HÖ bèn ph−¬ng tr×nh trªn ®−îc bæ sung thªm ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cã<br /> d¹ng:<br /> ρ = ρ ( p,i ) .<br /> (6-8)<br /> Trong tr¹ng th¸i æn ®Þnh th× mäi ®¹o hµm theo τ t¹i c¸c ph−¬ng tr×nh (6-3) (6-8) ®Òu b»ng kh«ng, mäi th«ng sè chØ lµ hµm sè cña täa ®é z vµ khi Êy c¸c ph−¬ng<br /> tr×nh trªn cã d¹ng sau:<br /> - Ph−¬ng tr×nh b¶o toµn khèi l−îng:<br /> dG<br /> (6-9)<br /> =0;<br /> dz<br /> - Ph−¬ng tr×nh b¶o toµn n¨ng l−îng:<br /> d ( Gi )<br /> =q;<br /> (6-10)<br /> dz<br /> - Ph−¬ng tr×nh b¶o toµn ®éng l−îng:<br /> dω<br /> ω2ρ<br /> dp<br /> ωρ<br /> +k<br /> ± ρg sin α = −<br /> ;<br /> (6-11)<br /> dz<br /> 2<br /> dz<br /> - Ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i:<br /> ρ = ρ ( p,i ) .<br /> (6-12)<br /> <br /> Trong chÕ ®é æn ®Þnh ta cã G ( z ) = const , tøc lµ l−u l−îng khèi l−îng lµ nh−<br /> nhau ë mäi tiÕt diÖn cña r·nh (èng). Tõ ®ã ta cã thÓ viÕt l¹i ph−¬ng tr×nh (6-10) d−íi<br /> d¹ng sau:<br /> <br /> complete<br /> <br /> 202<br /> <br />