Bộ hâm nước trong nhà máy nhiệt điện

BỘ HÂM NƯỚC TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

GIỚI THIỆU
I.

Chức năng của bộ hâm nước

Bộ hâm nước là thiết bị sử dụng một phần nhiệt còn lại của khói thải để đốt nóng nước cấp của lò
hơi.nhằm nâng cao hiệu suất của lò hơi .Lắp đặt bộ hâm nước có những lợi thế sau:
-

Hiệu suất của lò hơi được tăng lên bởi giảm được tổn thất nhiệt trong khói thoát.
Nó làm cho giảm ứng suất nhiệt của lò hơi (bao hơi) bởi vì làm giảm chênh nhiệt độ giữa
bao hơi và nước cấp đã được đốt nóng.
Tiết kiệm kim loại quý để chế tạo bề mặt sinh hơi (do giảm diện tích bề mặt sinh
hơn).Còn bộ hâm nước được đặt tại vùng có nhiệt độ thấp nên nó có thể được chế tạo
bằng gang.

II.

Công dụng và Phân loại

Nhiệm vụ của bộ hâm nước là gia nhiệt cho nước cấp đến nhiệt độ sôi hoặc gần sôi trước khi nước vào
bao hơi.
 Phân loại về vật liệu:
- ống thép có cánh
-

ống thép trơn
ống bằng gang.

 Theo nhiệm vụ có thể chia thành hai kiểu bộ hâm: bộ hâm nước kiểu sôi và chưa sôi.
-

Ở bộ hâm nước kiểu sôi,nước ra khỏi bộ hâm đạt đến trạng thái sôi,độ sôi có thể đạt tới 30%. Bộ
hâm nước kiểu sôi có thể được chế tạo bằng ống thép trơn hoặc ống thép có cánh.
- Ở bộ hâm nước kiểu chưa sôi,nước ra khỏi bộ hâm nước chưa đạt đến nhiệt độ sôi.Bộ hâm nước
kiểu chưa sôi có thể chế tạo bằng thép hay bằng gang tùy hteo thành phần lưu huỳnh trong nhiên
liệu.
Khi tăng áp suất hơi thì phần nhiệt lượng để đun nước sôi tăng lên, do đó phần nhiệt lượng hấp thu
trong bộ hâm nước phải tăng lên.khi đó phải chế tạo bộ hâm nước kiểu sôi(đối với các lò trung áp
,phần nhiệt lượng để sinh hơi chiếm khoảng 60% toàn bộ nhiệt lượng cấp cho lò)
 Bộ hâm nước có thể phân chia theo chiều chuyển động của dòng khói và nước cấp như sau:
1


-

Các dòng môi chất cùng chiều.
Các dòng môi chất ngược chiều.
Dạng hỗn hợp.

Dạng các dòng môi chất cùng chiều, dòng khói chạy cùng chiều với dòng nước cấp,dạng các dòng môi
chất ngược chiều thì các dòng đi ngược chiều nhau.Còn dạng hỗn hợp là kết hợp cả hai dạng trên.Phần
lớn các bộ hâm nước ở dạng ngược chiều do nó có hiệu suất truyền nhiệt cao nhất.

III.

Vai trò

Trong quá trình sử dụng lò hơi thì thiết bị hâm nước đóng vai trò rất quan trọng, và mang lại nhiều lợi

ích cho công nghệ này.
1. Bộ hâm nước bằng gang
Gang có ưu điểm là chịu được sự ăn mòn của các axit và mài mòn của tro, do vậy ở những lò hơi
đốt nhiên liệu có lưu huỳnh người ta dùng bộ hâm nước bằng gang. Gang có hệ số dẫn nhiệt nhỏ
hơn thép, do đó phía ngoài ống được đúc thêm các cánh để tăng cường khả năng trao đổi nhiệt.
2. Bộ hâm nước ống thép trơn
Có cấu tạo gồm các ống thép và hai đầu được nối vào hai ống góp của bộ hâm nước. Được chế
tạo thành từng cụm có khoảng trống nhằm dễ dàng vệ sinh hơn. Thông thường các ống xoắn của
bộ hâm nước được bố trí sole, tạo tốc độ dòng khói lớn và xoáy nhiều nhằm tăng cường truyền
nhiệt.
3. Bộ hâm nước ống thép có cánh
Bộ hâm nước kiểu có cánh có nhược điểm: khả năng bám bụi rất lớn, khó làm vệ sinh do đó ít
được dùng.
Ưu điểm: làm tăng diện tích trao đổi nhiệt nhằm tăng cường truyền nhiệt.

IV.


Mục đích

Tận dụng nhiệt của khói thải để gia nhiệt cho nước gần đến nhiệt độ sôi, đôi khi có thể
cho bốc hơi mấy phần trăm, như vậy giảm được tổn thất do khói thải co dãn đột ngột, tạo
ra ứng suất nhiệt
2




V.

Ngoài ra còn giảm được kim loại quý chế tạo bề mặt sinh hơi vì bộ hâm nước đặt ở vùng
nhiệt độ thấp, không cần kim loại tốt có khi có thể chế tạo bằng gang.

Cấu Tạo

Nói chung, bộ hâm nước gồm những chùm ống cong, có thể làm bằng gang hoặc bằng thép, nước đi
trong ống còn khói đi bên ngoài ống. Người ta bố trí cho nước đi từ dưới lên trên và khói đi từ trên
xuống.Các bố trí nhằm:
-

Tận dụng sự lưu thông nước bằng tuần hoàn tự nhiên.
Hạn chế bọt khí, bọt hơi bám vào vách ống, kích thích ăn mòn bề mặt, đồng thời làm giảm
hệ số truyền nhiệt .
Tự điều chỉnh sự phân phối nước không đồng đều về lưu lượng giữa các ống với nhau.

Ngoài ra còn có thể bố trí đường đi tắt cho cả khói và nước , thậm chí còn bố trí cả đường tái
tuần hoàn nước.
 Về mặt cấu tạo bộ hâm nước được chia làm hai loại sau:


Ống thép



Bằng gang

1. Bộ hâm nước bằng thép
Bộ hâm nước ống thép thường gồm những ống trơn có đường
kính trong khoảng 28÷38 mm, chế tạo thành những cụm ống
xoắn,được uốn gấp nhiều lần và hai đầu được nối vào hai ống

góp của bộ hâm nước(hình 4.15).Những ống thép tuy dễ bị gỉ
hơn nhưng lại có thể nối với nhau bằng cách hàn và chịu va
đập tốt hơn.Do đó, ống thép dùng cho bộ hâm nước kiểu sôi
với tỷ suất sôi không quá 10%.Bộ hâm nước được chế tạo
thành những cụm nhỏ có chiều cao khoảng 1m và các cụm
được đặt cách nhau 0,6m nhằm tạo khoảng chống cho việc làm
vệ sinh được dễ dàng. Thông thường các ống xoắn của bộ hâm
nước được bố trí sole, tạo tốc độ dòng khói lớn và xoáy nhằm
tăng cường truyền nhiệt.

3


2. Bộ hâm nước bằng gang
Bộ hâm nước ống gang có giá thành rẻ, chịu ăn mòn và mài mòn
tốt, để đúc.Do đó nó thường được đúc thành ống có cánh tản
nhiệt phía khói đi, đường kính trong khoảng 76÷120 mm,dài từ
1,5÷3m được nối với nhau bằng các cút nối có mặt bích và bu
lông nên lắp đặt rất dễ dàng.Gang có ưu điểm là chịu được sự ăn
mòn của các axit và mài mòn của tro, do đó ở những lò hơn đốt
nhiên liệu có những luy huỳnh người ta dùng bộ hâm nước bằng
gang.(hình 4.16)
Tuy nhiên, bộ hâm nước bằng gang có những nhược điểm sau:
- Do gang khó hàn nên các ống phải được nối với nhau
bằng mặt bích, không áp dụng cho lò thông số cao.
- Gang chịu uốn, va đập kém nên không dùng được cho bộ
hâm nước kiểu sôi.
- Do là ống có cánh nên dễ bám bụi nên phải bố trí kèm
máy thổi bụi.

VI. Ứng Dụng
Bộ hâm nước là thiết bị không thể thiếu trong lò hơi, thiết bị này có vai trò tận dụng nhiệt khói
thải khi sử dụng lò, gia nhiệt cấp nước cho nồi hơi nhằm tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả
sản xuất.

VII. Cách nối bộ hâm nước
4


PHƯƠNG PHÁP
NỐI BỘ HÂM
NƯỚC VỚI LÒ
Bình gia nhiệt

Bộ hâm nước

Ngắt được ra khỏi hệ
thống lò

Bao hơi

Không ngắt được ra
khỏi hệ thống lò

Ví dụ 2.1
5


Bộ hâm nước nóng trong máy nhiệt điện có các số liệu sau: lưu lượng nước G2= 230T/h,
nhiệt độ nước vào t2’=160 , nhiệt độ nước ra t2’= 300 . Nước chảy trong ống thép có hệ

số dẫn nhiệt =22W/m.oK, đường kính ống d1/d2=44/51 mm, tốc độ trung bình của nước
chảy trong ống (chọn lần đầu)

2

= 0,6 m/s. Khói có thành phần thể tích 13% CO2, 11%

H2O, chuyển động cắt ngang qua chùm ống so le với tốc độ tại tiết diện hẹp (chọn lần đầu
tiên)

=13 m/s, với lưu lượng G1= 500T/h ở nhiệt độ t1’= 800 .Các bước ống s1 =

1

2,1.d2; s2 = 2.d2. Xác định diện tích toàn bộ F của thiết bị. Số ống uốn khúc n, chiều dài
của 1 ống uốn khúc l1, hiệu suất trao đổi nhiệt

của thiết bị.

Bài làm:
Phân tích bài toán:
Đây là dạng bài tính toán thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống trơn. Nước cần được đun nóng đi
trong các ống trơn từ dưới lên trên, khói từ quá trình đốt cháy nhiên liệu đi từ trên xuống
dưới cắt ngang bên ngoài các ống được xếp sole. Ở đây bố trí khối đi bên ngoài ống vì dễ
làm sạch bề mặt ngoài các ống khi bụi từ khói bám vào. Và cũng do

lỏng

<

khói

nên

khói sẽ được cho đi bên ngoài, nước sẽ được cho đi ở bên trong ống.
Cách giải tổng quát cho bài toán:
Q: Lượng nhiệt trao đổi (kW)
+ Dựa vào công thức: Q=k.F. t

k: hệ số truyền nhiệt ( )
F:diện rích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị (m2)

6


t: độ chênh lệch nhiệt độ giữa 2 môi chất (

+Tìm Q.

Q=G.Cp. t

Q: Lượng nhiệt trao đổi (kW)
Cp: nhiệt dung riêng của môi chất (kJ/kg.oK)
t: độ chênh lệch nhiệt độ

+Tìm k.

1

2

k=

: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của khói vào bề mặt ngoài ống.

: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu cảu nước vào bề mặt trong ống.

Hệ số tỏa nhiệt của khói phải kể đến ảnh hưởng bức xạ của khói:
1

=

+

1d

1b

: hệ số tỏa nhiệt đối lưu của khói

1d

: hệ số tỏa nhiệt bức xạ của khói

1b

: Chiều dày của vách, = 0,5(d2-d1).

7

: Hế số dẫn nhiệt của vách ống.
Giải bài toán:
Nhiệt độ trung bình của nước:
t2 = 0,5.(t2’+ t2”) = 0,5.(160+300) = 230

.

Ở nhiệt độ này ta có các thông số vật lý của các nước như sau:
P2=827 kg/m3 ; Cp2= 4,68 kJ/kg.độ ;

2

2

= 0,637 W/m. oK ;

= 0,145.10-6 m2/s ; Prf= 0,88.

Trong đó:
P: khối lượng riêng. (kg/m3)
Cp: nhiệt dung riêng (kJ/kg.độ)
: độ nhớt động học (m2/s)

Pr: tiêu chuẩn Prandtl
: tốc độ (m/s2)
Lượng nhiệt nhận:

Q= G2. Cp2.(t”2 - t’2)=

4,68(300 - 160)

Q= 4,2.104 kW.
8


Tiêu chuẩn Reynold của nước:

Ref =

Ref = 1,82.105 >104, như vậy nước chảy rối trong ống và hệ số tỏa nhiệt

được xác định

theo công thức:

Nuf = 0,021.Ref0,8.Prf0.43.A.
Trong đó:
: hệ số hiệu chỉnh, khi l/d

50 thì

= 1; khi l/d

50 thì

< 50 thì

được xác định

từ bảng.
hệ số hiệu chỉnh tính đến độ cong của ống:

= 1 + 1,77
d: là đường kính của ống.
R: bán kính của ống.
Do hệ số tỏa nhiệt

của nước lớn hơn

của khói rất nhiều nên nhiệt độ của vách ống

bên trong tw hầu như bằng nhiệt độ của nước , t2

tw và có thể coi A=

9


Chiều dài ống l1 chắc chắn sẽ lớn hơn 50d1, vậy ta có
với chiều dài ống nên ta bỏ qua ảnh hưởng ống uốn cong,

Vì phần ống uốn cong nhỏ so
Vậy:

Nuf = 0,021.(1,82.105)0,85.(0,88)0.43 = 314
= Nuf.

W/m2.oK

Từ bảng nhiệt rung riêng của khói ta thấy 800 oC ,CP = 1,264 ; ở 700 oC, CP = 1,239.Ở
lần thử đầu ta chọn CP1 = 1,25 kJ/kg.độ, khi đó nhiệt độ khói ra khỏi thiết bị t”1 khi bỏ qua
tổn thất nhiệt:

t1” = t1’Nhiệt độ trung bình t1 của khói bằng:
t1 = 0,5 (t1”+ t1’) = 0,5.(800+ 558) = 679 oC
Với t1 = 679 oC tra bảng nhiệt rung riêng của khói CP1 = 1,234 kJ/kg.độ khi tính lại nhiệt
độ ra khỏi khói:

t1” =
Với nhiệt độ trung bình của khói t1 = 0,5(800 + 554) = 677 oC. Ở nhiệt độ này nhiệt dung
riêng của khói hầu như cũ. CP1 = 1,234 kJ/kg.độ , vậy ta không cần phải tính lại nữa.
• Độ chênh nhiệt độ trung bình

10


t1’= 800 oC

tt ” = 300 oC
2

t1”=554 oC
t2’=160 oC

Kết quả từ nhiệt độ trung bình của khói t1 = 677 oC, tra bảng ta được:
;

1

= 0,0808 W/m. oK ;

; Prf = 0,61.
Tiêu chuẩn Reynold của khói:

Ref =
Vì chưa biết số hàng ống nên hệ số tỏa nhiệt đối lưu của chùm ống coi bằng hệ số tỏa
nhiệt của hàng ống thứ 3 :

’

=

và khi ống xếp so le theo công thức:

Nuf1 = 0,41.Ref0,6.Prf0.33.A.
Trong đó:

: hệ số kể đến ảnh hưởng của bước ống.

Với chùm ống so le:

= 1,2

khi s1/s2

2.

11

=

khi s1/s2 < 2

Theo như bài toán này ta thấy s1/s2 = 2,1/2 < 2. Vậy nên ta sẽ lấy

Vì tiêu chuẩn Pr của khói ít thay đổi theo nhiệt độ nên A

=

=1.

1 và ta có:

Nuf1 = 0,41.(6130)0,6.(0,61)0,33 =65,22.

’1 = Nuf1.

= 65,22.

= 103,32 W/m2.oK

Khi kể đến sự bám bụi của khói tới bề mặt ngoài ống , hệ số tỏa nhiệt đối lưu của khói là:
1đ

’1 = 0,8.103,32 =82,7 W/m2.oK

=

Hệ số tỏa nhiệt của khói và bề mặt ngoài ống

1

=

1đ

+

1

là:

1b

Để xác định ảnh hưởng của bức xạ khói tới bề mặt

1b

ta phải tính chiều dài trung bihf

của tia bức xạ theo công thức:

l = 1,08.d2.

= 1,08.5,1.(2,1.2 - 0,785)= 18,8 cm.

12

Phân áp suất CO2 và H2O coi áp suất khói P = 1 at
=

.P = 0,13.1 = 0,13 at

=

.P = 0,11.1 = 0,11 at

.l= 0,13.18,8 = 2,45 at.cm

.l= 0,11.8,8 = 2,07 at.cm

Từ nhiệt độ khói t1 =

= 0,074

=

+

ta tra đồ thị được độ đen của CO2 và H2O là:

= 0,046.

Vậy độ đen của khoi khi coi

=

= 677

= 1 là:

= 0,074 + 0,046 = 0,12.

Để tìm nhiệt độ bề mặt ống

, ta có giả thiết như sau:

Bỏ nhiệt trở dẫn nhiệt của vách, nên nhiệt độ bềm ặt bên ngoái ống bằng bằng bên trong.
Gọi độ chênh lệch nhiệt độ gữa khói và bề mặt bên ngoài ống là
mặt bên trong ống là

. Ta coi

và giữa nước và bề

= 82,7 W/m2.oK

13


= t1 -

=

-

Ta có: q =

.



=

=

=

ta lại có:

+



= 439



= t1 -

.

= 55,01

= t1- t2 = 677 – 230 = 447

= 677 – 439 = 238

ở nhiệt độ này với vật liệu thép bị oxi hóa ta tra được độ đen của ống thép là

= 0,79.

Lấy Co = 5,67. Ta tính được hệ số bức xạ của hệ thống là:

Ch =

=

= 0,66

Nhiệt độ bức xạ của khói là:

qb= Ch
14


= 4926 w/m2

= 0,66
Hệ số tỏa nhiệt bức xạ của khói là:

=

=

= 11,2

Hệ số tỏa nhiệt của khói với bề mặt ngoài của ống là:
=

+

= 82,7 + 11,2 = 93,9

Ảnh hưởng của bức xạ ở đây là 12%.
Hệ số truyền nhiệt khi d1/d2 = 51/44 = 1,16 < 1,4 nên có thể tính như vách phẳng và bằng:

=

k=

= 90,6 w/m2.K

Ta có:
= t’1 – t”2 = 800 300 = 500

= t”1 – t’2 = 554 - 160 = 394
Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình khi coi như chuyển động ngược chiều là:

=

= 445
15


Ta kiểm tra lại việc tính gần đúng nhiệt độ bề mặt tw:
q = k.

tw = t 2 +

.

=230 + 8,86 = 238,86

.

Kết quả này khá phù hợp với việc tính gần đúng tw = 238

nên ta không phải tính lại

.
Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt của các ống :

F
Số ống uốn khúc n:

n

Chọn n =85 ống , từ đó tính lại tốc độ nước

:

16


Vì

nên (như giả thiết ban đầu) ta không phải tính lại

do

tốc độ không thay đổi nữa.
Chiều dài của một ống uốn khúc:

l1 =
Hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt khi W1 = (G1. CP1 )< W2 = (G2. CP2) :

KẾT LUẬN
•

Việc tận dụng nhiệt khói thải của lò hơi để nâng cao hiệu suất sử dụng năng
lượng là vấn đề đang được quan tâm nhằm giải quyết hai vấn đề cơ bản đó là nhu
cầu của sử dụng năng lượng ngày càng tăng trong tình hình các nguồn năng lượng
trong thiên nhiên ngày càng cạn kiệt nhanh chóng .

• Từ những vấn đề đã trình bày và phân tích những phương án tận dụng nhiệt khói
thải và khẳng định phương án tận dụng nhiệt khói thải để nâng cao nhiệt độ hâm
nước cấp đã mang lại hiểu quả kinh tế cao hơn,.

17