TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
7
THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY DẦU FO DÙNG CHO LÒ HƠI BẰNG
THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
DESIGNING A SYSTEM FOR DRYING BOILER FUEL OIL WITH A DOUBLE
TUBE HEAT EXCHANGER DEVICE USING SOLAR ENGERGY
Hồ Trần Anh Ngọc
Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng
Võ Chí Chính, Hoàng Dương Hùng
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Bài báo đề cập đến việc xây dựng một hệ thống để sấy dầu FO bằng thiết bị trao
đổi nhiệt kiểu ống lồng ống dùng năng lượng mặt trời, đưa ra cách thức để vận hành, điều
chỉnh hệ thống sấy dầu sao cho phù hợp với từng điều kiện cụ thể. Việc sấy dầu FO là
khâu bắt buộc tạo ra độ nhớt nhất định để phun tơi sương cần thiết trước khi được đưa vào
đốt trong lò hơi, cho nên ta dùng năng lượng mặt trời để sấy nóng dầu này, tiết kiệm được
một lượng điện năng khá lớn. Đồng thời bài báo trình bày các bước thực hiện và xây dựng
công thức tính tóan trao đổi nhiệt ống lồng ống giữa dầu thô FO với nước nóng và tính tóan
bộ thu năng lượng mặt trời để cấp nước nóng sấy dầu FO sử dụng cho lò hơi công suất
100kg/h.
ABSTRACT
The article refers to the manufacture of a system for drying Fuel Oil with a double tube
heat exchanger device using solar energy and the techniques for operating and adjusting the oil
drying system in such a way to be suited to every specific condition. The drying Fuel Oil stage is
required to create a certain viscosity for spraying an appropriate amount of dew before putting it
into the boiler combustion so that we can use the solar energy for drying the oil, saving a large
of amount of electricity. The article also presents some execution steps and formulas in making
calculations on the heat transfer of the double tubes between Fuel Oil and hot water and on
the solar collectors that supply hot water for drying Fuel Oil, using a boiler with the capacity
of 100kg/h.
1. Đặt vấn đề
Dầu FO- Fuel Oil- hay còn gọi là dầu mazut là phân đoạn nặng thu được khi
chưng cất dầu thô parafin và asphalt ở áp suất khí quyển và trong chân không. Trước
khi bị đốt cháy dầu FO được gia nhiệt để có một độ nhớt nhất định, độ nhớt của dầu ảnh
hưởng đến việc trộn lẫn của nhiên liệu với không khí, khả năng bay hơi, trở lực ma sát
trong hệ thống bơm, quá trình cháy và phát thải ra môi trường bên ngoài. Sau khi được
sấy, dầu được phun ra dưới dạng sương, nó sẽ bay hơi tạo với không khí hỗn hợp cháy.
Vì vậy, dầu FO cần phải được sấy trước khi đưa vào đốt trong lò hơi.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
8
Bảng 1. Đặc tính của dầu thô ( FO)
Thành phần
Khối
lượng
riêng
kg/m3
Nhiệt
độ
đông
đặc
0C
Độ
nhớt động
học
m2/s
Nhiệt
dung
riêng
J/kg.K
Hệ số
dẫn
nhiệt
W/m.K
Độ sáp
Parafin
Keo
Gelatin
Lưu
hùynh
S
Nhựa
đường
Bitum
Nitơ
N
Nước
H2O
927,5 19
1
7,44.106 2,683 0,1964 14,3 10,3 0,13 0 0,29 16,8
Để gia nhiệt cho dầu FO, cần phải tiêu thụ một lượng điện năng lớn cho điện trở
sấy dầu, cho nên để tiết kiệm lượng điện năng này ta tận dụng nguồn năng lượng mặt
trời để làm nóng nước, sau đó dùng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống để sấy dầu FO
đưa vào thùng chứa trước khi đưa vào đốt ở lò hơi.
2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống dùng năng lượng mặt trời để sấy dầu FO dùng thiết bị
trao đổi nhiệt ống lồng ống
2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống: Ta xây dựng sơ đồ nguyên lý hệ thống như sau:
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy dầu FO bằng năng lượng mặt trời
Hệ thống bộ thu năng lượng
mặt trời (3) có nhiều collector được bố
trí thành một dãy.
Qua tính tóan, kiểm tra và so
sánh, việc chọn panel có dạng song
song để hấp thụ năng lượng bức xạ
mặt trời là khá hiệu quả. Tấm hấp thu
được gắn vào ống hấp thụ bằng cách
đan xen từng dải nhỏ; Một cụm ống
trao đổi nhiệt ống lồng ống gia nhiệt
Hình 2.
Panel thu năng lượng mặt trời dạng dãy ống
Bề mặt TĐN
dạng dãy ống
Tấm
hấp thụ
1
1-Thï ng chøa nø¬c nhá
2-TBTĐN èng l ång èng
3-TÊm thu n¨ng luî ng mÆt trêi
4- Thï ng chøa dÇu l¹ nh
5-B¬m nø¬c
6-B¬m dÇu
7- § i Óm c¶m biÕn nhiÖt ®é
8-Van ba ng·
9-Thï ng nøí c nãng dù tr÷
10- § iÖn trë
11-Thï ng chøa dÇu nãng
12 : 23 -V an chÆn c¸ c lo¹ i
3
12 6
5
8
7
DÇu nãng ra
2
Đuêng nuíc
Đuêng dÇu
9
4
11
10 21
22
19
20
13
14
15
16
518
17
S¬ ®å nguyª n lý hÖ thèng sÊy dÇu b»ng n¨ ng lù¬ng
mÆt trêi dï ng thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt èng lång èng
23
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
9
cho dầu thô, hai thùng chứa nước dự trữ được cách nhiệt để tránh tổn thất nhiệt, thùng
chứa dầu, một số van và một thiết bị sấy dầu bằng điện trở.
2.2. Nguyên lý họat động của hệ thống
Nguyên lý họat động mô hình như sau: vào ban ngày, bơm tuần hoàn 5 hoạt
động lúc đó các van 15,17, 19, 20 mở, van 18 đóng lại, nước nóng tích trữ được của dàn
năng lượng mặt trời chảy từ tank nhỏ vào ống trong của TBTĐN ống lồng ống gia nhiệt
cho dầu chảy bên ngòai ống trong không gian hình xuyến, sau đó nước lạnh được bơm
tuần hòan thông qua các Collector thu nhiệt mặt trời rồi đi vào tank chứa nhỏ. Dầu thô
tuần hòan trong không gian hình xuyến có thể đi qua hoặc quay ngược lại để tiếp tục
sấy đạt nhiệt độ yêu cầu.
Điện trở gia nhiệt thêm cho dầu có họat động hay không là phụ thuộc vào nhiệt
độ dầu tại vỏ ngòai không gian hình xuyến của bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống, nó tùy
thuộc vào điều kiện thời tiết. Điện trở sấy dầu (10) chỉ họat động khi mà nhiệt độ ngòai
trời xuống khá thấp ví dụ như khi mùa đông ( có nghĩa là nó hoạt động khi nước nóng
để gia nhiệt cho dầu không đạt được tới 650C ) lúc đó bơm dầu số 6 họat động, van 22
đóng, van 21 mở, dầu lạnh sẽ được điện trở 10 sấy đạt đến nhiệt độ yêu cầu.
Khi bức xạ mặt trời cung cấp đầy đủ năng lượng nhiệt và nhiệt độ nước ở bộ thu
ngòai đạt đến giá trị yêu cầu, lúc đó bơm nước 5A họat động bình thường. Trường hợp
nhiệt độ gia nhiệt dầu đủ, lúc đó, van 12, 15, 18 đóng lại, các van 13, 17, 19, 23 mở ra
để cho nước của dàn năng lượng mặt trời gia nhiệt cho tank lớn để dự trữ.
Trong trường hợp nhiệt độ của môi trường không đủ để gia nhiệt cho dàn trao
đổi nhiệt ống lồng ống, lúc đó sẽ sử dụng nước dự trữ ở tank lớn để gia nhiệt cho tank
nhỏ bằng cách đóng các van 13, 23, mở các van 12, 14 , 15, 16, 17, 19, 20, hai bơm 5 và
5A họat động, lúc đó nước nóng trong tank lớn sẽ gia nhiệt cho tank nhỏ qua dàn ống
xoắn để từ đó nước nóng đi bên trong đường ống của thiết bị ống lồng ống để gia nhiệt
cho dầu đi trong không gian hình xuyến bên ngòai đến nhiệt độ yêu cầu.
3. Tính tóan thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống để gia nhiệt cho dầu FO
3.1. Tính tóan lượng dầu FO cấp cho lò hơi ứng với các công suất khác nhau
Bảng 2. Xác định lượng dầu thô ( FO) tiêu thụ theo công suất và hiệu suất lò hơi
NHIỆT TRỊ CỦA DẦU FO: 9800Kcal/Kg
KHỐI LƯỢNG RIÊNG: 0,991Kg/m3 ; NHIỆT LƯỢNG TRONG 1 KG HƠI: 663 Kcal
ĐỘ NHỚT ĐỘNG HỌC: 180cSt( mm2/S ); NHIỆT ĐỘ ĐÔNG ĐẶC: 200C
N(tấn/h)
H( %) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 2 3 4 5
70 9,7 19,3 29,0 38,7 48,3 57,9 67,7 77,3 86,9 96,5 193 290 387 483
80 8,5 16,9 25,4 33,8 42,3 50,7 59,2 67,6 76,1 84,6 169 254 338 423
90 7,5 15,0 22,6 30,1 37,6 45,1 52,6 60,1 67,6 75,2 150 226 301 376
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
10
3.2. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống giữa dầu FO và nước nóng
Với công suất lò hơi 100kg/h, hiệu suất lò 80%, ta tính ra được lượng dầu tiêu thụ
cần thiết là 8,5lít/h. Từ đây, áp dụng phương pháp tính TĐN ống lồng ống giữa dầu và
nước nóng với các đặc tính sau: Nước nóng chảy trong ống thép nhỏ có hệ số dẫn nhiệt
λ
=120W/mK, d2/d1=28/26,2mm, nhiệt độ nước nóng vào là t’1=800C, lưu lượng G1 =
5,4 kg/h. Dầu lạnh FO chuyển động trong không gian hình xuyến giữa ống nhỏ và ống
lớn có D=32,6mm, nhiệt độ dầu FO vào t’2 = 300C, nhiệt độ dầu ra là t’’2=650C với lưu
lượng dầu được tính dự phòng là G2=10,8 kg/h. Biết chiều dài của đoạn ống nhỏ nằm
ngang l=1,0 m. Ta đi xác định diện tích truyền nhiệt F của thiết bị, số đoạn ống thẳng N.
3.2.1.Chọn nhiệt độ tw1 = (t1+ t2)/2
Khi bỏ qua tổn thất nhiệt ( t
η
= 100%), ta có Q = Q1 = Q2 vậy:
Q = G2.Cp2 ( t2’’ – t’2) = 435,225)3065.(147,2.
3600
8,10 =− , [W]
Nhiệt độ trung bình của dầu lạnh : t2 = (t2’’+ t2’)/2 = (30+65)/2 = 47,5 [0C]
Nhiệt dung riêng của dầu ở t2 = 47, 50C là Cp2 = 2, 147 kJ/kg.K.
Phương trình cân bằng nhiệt: Q = G1.Cp1.(t1’’- t1’) = G2.Cp2.( t2’’ – t’2)
t44
1000.174,4.4,5
3600.435,225
80
C.G
Q
t
1p1
'
1
''
1=−=−= , [0C]
Từ đó nhiệt độ trung bình t1 của nước nóng: t1 = 0, 5 (t’1 + t’’1) = 0, 5 (80+44) = 62 [0C]
Với t1= 62 0C tra bảng ta xác định được: Cpl = 4, 174 [kJ/kg.K].
894,2Pr;./6605,0;/10.4654,0;/04,982 11
26
1
3
1==== −
f
KmWsmmkg
λγρ
Với nhiệt độ trung bình của dầu lạnh t2 = 47,5 [0C], sử dụng bảng, toán đồ ta xác định
độ nhớt, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt của dầu và dùng phương pháp nội suy ta có:
665,34Pr;./1236,0;/10.32,2;/2,860 12
26
2
3
2==== −
f
KmWsmmkg
λγρ
Từ đó tốc độ của nước nóng chảy trong ống nhỏ khi n = 1 được tính bằng:
0028,0
3600.)0262,0.(14,3.04,982
4,5.4
d.
G.4
22
11
1
1==
πρ
=ω , [m/s]
Hình 4.
Mặt cắt của ống lồng ống
t
2
G
2
C
p2
,
,
t
1
G
1
C
p1
,
,
t
1
G
1
C
p1
,
,
,,
2
p
C
2
G
2
t
DAÀU FO NOÙNG RA
DAÀU FO LAÏNH VAØO
NÖÔÙC RA
NÖÔÙC NOÙNG VAØO
DẦU FO LẠNH VÀO
DẦU FO NÓNG RA G2, CP2, t2’’
G2, CP2, t2’
NƯỚC RA
G1, CP1, t1’’
G1, CP1, t1’
NƯỚC
NÓNG VÀO
Hình 3. Ống lồng ống thẳng
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
11
Tốc độ dầu chảy giữa ống to và ống nhỏ: G 4
)(
..
2
2
2
222
dD −
=
πωρ
016,0
3600).028,00326,0.(14,3.2,860
8,10.4
)dD(.
G.4
222
2
2
2
2
2=
−
=
−πρ
=ω , [m/s]
Tiêu chuẩn Re của nước nóng: Re1 = 4
6
1
11 1066,113
10.4654,0
0262,0.0028,0 <== −
γ
ω
d
Vậy nước nóng chảy tầng trong ống, ta có: Nuf1 = 0, 15.Re ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
1
1
25,0
1,0
1
43,0
1
33,0
1Pr
Pr
Pr.
w
f
fff Gr
Vì vách bằng kim loại mỏng và hai phía vách ống đều là chất lỏng nên ta chọn nhiệt độ
vách tw1 bằng: tw1 = 0,5 (t1+t2) = 0,5(62+47,5) = 54,75 [0C].
Ta chọn tw1 = 54,5 0C, ở nhiệt độ này thì ta có: Prw1 = 3,316. Ta có : 2
3
γ
β
tlg
Gr ∆
=
Với t1= 620C tra bảng và dùng phương pháp nội suy, ta có : 4
10.3,5 −
=
β
1−
Τ
2
3
1
γ
β
tlg
Grf
∆
=== =
−
−
−
26
34
)10.4654,0(
)5,5462.(0262,0.10.3,5.81,9 3237853, 96
Nuf1 = 0, 15.Re ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
1
1
25,0
1,0
1
43,0
1
33,0
1Pr
Pr
Pr.
w
f
fff Gr =4, 88
Hệ số tỏa nhiệt đối lưu α1 của nước nóng chảy trong ống với bề mặt trong của ống
không có bám bẩn và chất lỏng không có ảnh hưởng của bức xạ nên:
]./[02,123
0262,0
6605,0
.88,4 2
1
1
11 KmW
d
Nu ft ===
λ
α
ql1t =
()
1111 .. dtt wt
π
α
−= 123, 02.(62- 54, 75).3,14.0,0262 = 73,37 [ W/m]
3.2.1.Tính tw2: Ta có:
1
2
21
21
ln
2
1
d
d
tt
qq ww
tltl
πλ
−
== , [W/m]
→433,54
0262,0
028,0
ln.
120.14,3.2
1
05,765.54ln
2
1
.
1
2
112 =−=−= d
d
qtt tlww
πλ
[0C]
Vì vách kim loại mỏng, có hệ số dẫn nhiệt lớn, ta có thể lấy 5,54
12
=
=
ww tt [0C]
Với nhiệt độ trung bình của dầu được đun nóng:t2 = 5,47
2
6530
2
,,
2
,
2=
+
=
+tt [0C]
ta sử dụng bảng tra các thông số và dùng phương pháp nội suy, ta có:
665,354Pr;./1236,0;/10.32,2;/2,860 22
26
2
3
2==== −
f
KmWsmmkg
λγρ
Tiêu chuẩn Re của dòng dầu cần đun nóng chảy giữa hai ống với đường kính tương
đương
()
()
()
2
2
2
2
2
4
4
4dD
dD
dD
u
f
dtd −=
+
−
==
π
π
= (0,0326 - 0,028)=0,0046 [m] được tính như