Thiết kế nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiệt cho tòa nhà cũng như tiềm năng tiết kiệm năng lượng cho hệ thống lạnh và điều hòa không khí

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU
Từ hàng triệu hàng ngàn năm trước, khi con người tìm ra lửa con người
đã biết sử dụng năng lượng của nó khơng chỉ phục vụ đời sống của con người
mà còn sử dụng năng lượng nhiệt của nó để tìm ra cách luyện kim để chế tạo ra
công cụ làm đời sống của con người phát triển và ngày càng văn minh tạo bước
đẩy cho khoa học kỹ thuật phát triển.

1


Ngày nay, thế kỉ 21 một chặng đường phát triển dài của lồi người thì
nhu cầu năng lượng cần đáp ứng cho sản xuất và đời sống ngày càng lớn, trong
đó nhiệt năng chiếm tỷ lệ chủ yếu. Ở nước ta, theo đường lối của Đảng và chính
phủ trong lộ trình phát triển đất nước đến năm 2020 nước ta bước đầu trở thành
nước cơng nghiệp hóa hiện đại hóa và tất nhiêu theo xu thế của thế giới nên nhu
cầu sử dụng năng lượng để sản xuất cũng như đời sống là rất nhiều đặc biệt là
năng lượng nhiệt. Vấn đề đặt ra ở đây là làm cách nào để sử dụng năng lượng
nhiệt ấy một cách hiệu quả về mặt kỹ thuật và về vấn đề kinh tế. Vì để giải
quyết một phần nhỏ của vấn đề này chúng em xin trình bày về đề tài thiết kế hệ
thống cung cấp nhiệt cho tòa nhà và nghiên cứu tiềm năng tiết kiệm năng lượng
cho hệ thống lạnh và điều hịa khơng khí. Do kiến thức cịn hạn chế nên trên
phạm vi nghiên cứu của đồ án này bọn em xin phép chỉ khái quát thiết kế và
nghiên cứu cơ bản vê mặt thuần túy chứ chưa đi sâu thiết kế nghiên cứu hệ
thống cung cấp nhiệt cho tòa nhà cũng như tiềm năng tiết kiệm năng lượng cho
hệ thống lạnh và điều hịa khơng khí.
Dưới đây là bản thiết kế hệ thơng cung cấp nhiệt cho tịa nhà và nghiên
cứu tiềm năng tiết kiệm năng lượng cho hệ thơng lạnh và điều hịa khơng khí.
Trên phạm vi nghiên cứu còn nhiều hạn chế nên bản đồ án này chắc chắn khơng
tránh khỏi sai sót, rất mong được sự đóng góp của thầy cơ và các bạn.

Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy TRẦN HUY Cấp đã tận tình giúp
đỡ chúng em hồn thành đồ án này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẤP NHIỆT VÀ
THIẾT BỊ NGUỒN CẤP NHIỆT
2


1.1 Tổng quan về hệ thống cấp nhiệt.
- Cấp nước nóng cho nhà Tịa nhà 12 tầng trong đó: 16 phịng/tầng, chiều
cao mỗi tầng là 3,3m, có 8 hộp kỹ thuật bố trí theo hàng ngang đều nhau với
khoảng cách 6m, 2 phòng dùng chung 1 hộp kỹ thuật.
- Cấp hơi cho khu giặt là với lượng hơi 350 kg/h, áp suất hơi yêu cầu là 5
kG/cm2
- Gia nhiệt cho bể bơi có dung tích 80 m3
- Cấp hơi cho nhà bếp để nấu ăn cho khoảng 600 suất ăn.
Cho biết: Tầng 1 có khu vực kỹ thuật bố trí gian máy, khu giặt là, phòng lễ tân,
dịch vụ, nhà ăn, khơng bố trí phịng ngủ. Tầng 12 bố trí bể bơi trong nhà,
khơng có phịng ngủ.
1.1.1 Thơng số của hệ thơng cấp nhiệt
Đối với tịa nhà thì nước nóng để tắm chỉ sử dụng vào các giờ cao điểm
chủ yếu là sáng sớm hay chiều tối còn những khung giờ khác sử dụng ít cịn
khu giặt nấu ăn hay bể bơi có khung giờ cố định nên có thể tận dụng gia
nhiệt hay tăng công suất trong khoảng định mức để đáp ứng nhu cầu cần
thiết mà tiết kiếm tổn hao. Thời gian cao điểm là 4 giờ. Để cung cấp nước
nóng cho160 phịng ta chọn 2 bể nước nóng mỗi bể là 5000 lít. Vì tịa nhà
cần nước nóng cả ngày ta có thể cho lị chạy ở mức định mức dưới để tiết
kiệm.

-

Hệ thống cấp nước nóng số điểm sử dụng n điểm. 160 phòng

+ Nhiệt độ nước lạnh ( t2) 16 oC
+ Nhiệt độ nước nóng sử dụng (t3) 36 oC
+ Nhiệt độ nước nóng cấp đến các phòng (t1) 76 oC
Lượng nước sử dụng của một điểm trong giờ cao điểm (G36) 200 (l/h)
Hệ số đồng thời của khách thuê phòng khách sạn (k2) 0,7
Hệ số sử dụng nước trong cùng một thời điểm (k1) 0,8
- Hệ thống cấp hơi cho khu giặt là: Cấp hơi cho khu giặt là với lượng hơi
350kg/h, áp suất hơi yêu cầu là 5 kG/cm2
-

-

Gia nhiệt cho bể bơi .
Gia nhiệt cho bể bơi có dung tích 80 m3
Nhiệt độ nước nóng trong bể bơi (t4) 28 oC
Hệ số tổn thất nhiệt trong bể bơi ktt= 1,25
Cấp nước nóng chọn nhiệt độ nước vào trong khảng 12 đến 20 độ ta
chọn 16 độ, nhiệt độ nước ra là 36 độ

3


-

Nhiệt độ nước nóng cấp đến các phịng là 76 oC

-

1 nhà tắm cho nó tắm trong h cao điểm là G=200 lít 1 h

hệ số sử dụng nước đồng thời cho là k1 = 0.8
hệ số thuê phòng đồng thời là k2 =0.7, cung cấp hơi Cấp hơi cho khu giặt
là với lượng hơi 350 kg/h, áp suất hơi yêu cầu là 5 kG/cm2
1.1.2 Phương án cấp nhiệt
Nước nóng có nhiệt độ t1=760C được cấp đến phịng tắm và hịa trộn cùng
nước lạnh có nhiệt độ t2=160C để tạo ra nước tắm có nhiệt độ t3 = 36 oC
Lượng nước sử dụng của cả tòa nhà là:
G36= 10*16*k1 *k2 *G=19200 (lít)
Vậy ta có
G16(36-16)=G76(76-36)
Đồng thời:
G16+G76=G36
Vậy cuối cùng có G16=12800 (lít/h) ;G76=6400 (lít/h); G36=19200 (lít/h)
Vậy trong giờ cao điểm tịa nhà sử dụng khoảng 6400 lít nước nóng ở 76
độ trong 1 giờ
1.2 Tổng quan về thiết bị nguồn cấp nhiệt
1.2.1: Chọn thiết bị lị hơi
a. Cơng suất hơi phục vụ nhu cầu nước nóng của khách sạn
Lượng nhiệt mà hơi truyền cho nước lạnh để 12800 lít từ t2 = 16 oC để trở
thành nước nóng t1 = 76 oC:
Q1 = mc (t1- t2 ) =6400.4,18.(76-16)=1605120 (kj/h)
Công suất nhiệt yêu cầu của lị:
Cơng suất hơi gia nhiệt cho nước nóng phục vụ cho 160 phòng là:
D1 = Q1/(r.η)= 1605120/(2109*0.85)=895.39 (Kg/h)
với
r: nhiệt ẩn hóa hơi của nước ở áp suất 5Kg/cm2 xấp xỉ 5bar

η: hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt
b. Công suất hơi phục vụ bể bơi:
-

Gia nhiệt cho bể:

+ Nhiệt độ nước đầu vào bể bơi nằm trong khoảng từ 12 đến 20 oC ta lấy
t1 = 16 oC độ

4


+ Nhiệt độ nước yêu cầu là t3 = 28 oC
+ Dung tích 80m3
+ Hệ số tổn thất nhiệt ở bể bơi ktt =1,25
Vậy:
Lượng nhiệt yêu cầu:
Qbb =Cp .m.(t3 -t1 ).ktt = 4.18.80.1000.(28-16)*1.25=5016000 (KJ)
cho bể bơi gia nhiệt trong khoảng 15h, vậy có cơng suất hơi u cầu là:
Qcs =Qbb/15=334400 (KJ/h)
vậy công suất hơi cần để gia nhiệt bể bơi là:
Dbb =Qcs/(r.η)=186.54 (kG/h)
trong đó:
r: nhiệt ẩn hóa hơi của nước ở áp suất 5Kg/cm2 xấp xỉ 5bar =
2109(KJ/Kg)
η: hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt = 0.85
- Khi bể đã hoạt động:
+ Tổn thất nhiệt ra khơng khí
+ Nhiệt lượng tổn thất sẽ bằng:
Qttkk =a.F.∆t

+ Chọn kích thước bể bơi 80m3 cao 1.6m, dài 10m, rộng 5m
+ Nhiệt độ khơng khí tkk =15 độ C, tốc độ chuyển động chậm khi đó chọn
α= 15W/m2k
Vậy
-F=50m2 -∆t=13 oC
-α= 15W/m2k
Ta được:
Qttkk =a.F.∆t=15.50.13=9750 (W)
=9750.3600/1000= 35100 (KJ/h)
Tổn thất nhiệt do bay hơi:
Giả thiết lượng nước mất đi do bốc hơi là 2%/ngày, với nhiệt độ ở bể
trung bình khoảng 28 độ C
Qbh = (2%.V.ρ.r)/24= 2%.80.997.2257/24= 150015 (KJ/h)
+ Tổn thất nhiệt do dẫn nhiệt qua vách bể

5


c.

do bể đặt trên tầng chọn vật liệu làm vách bể là Bê tơng đá vỡ và đá dăm,
có hệ số dẫn nhiệt �= 1.28 W/m.K, độ dày d= 25cm, hệ số tỏa nhiệt 2 bên
α1 =10 W/m2.K, α2 =8 W/m2.K
Qdn = k.F.∆t= 11α1+dλ+1α2(48+50).(28-13)=3497.4 (W) = 12590.6
(kJ/h)
Vậy Cơng suất lị hơi cần thêm là:
Dex=Q/(r.η)=(12590.6+150015+35100)/(2106.0.85)=110.5(Kg hơi)
Lượng hơi phục vụ nhu cầu giặt là

d.

Dgl= 350Kg/h tại áp 5 bar
Lượng hơi cho nhu cầu nấu ăn nấu cho 600 suất ăn:

nấu 100kg đồ ăn cần 14 KW/h áp suất là 2,5bar và nhiệt độ trung bình
nhiệt độ hơi đề dành cho nấu thức ăn là từ 120 0Cđến 2000C nên ta sẽ
chọn nhiệt độ trung bình là 1600C .
• theo số liệu điều tra mỗi người cần ăn 0.3kg cơm trong 1 bữa và đồ ăn
nấu trong bữa gồm có canh và đồ ăn ta quy đổi về khối lượng là 0.5kg.
Vậy khối lượng để nấu cho 600 suất ăn là 480kg đồ ăn.
• Cơng suất để nấu 600 suất ăn là:
Qna = 480.600.14000 =4032000(KW/h)
• Lượng hơi để cung cấp cho việc nấu ăn là:
Dna=Qna /(r.η)=4032000/(0.85.2759)=1698(Kg/h)
Vậy lượng hơi cần để cung cấp là:
Dtomg = Dna +Dex + Dgl +D1 =1698+350+110.5+895.39=3050.89(Kg/h)
Đây là lượng hơi tính tốn lý thuyết lúc giờ cao điểm bao gồm cả lượng hơi
để chuẩn bị đồ ăn và giặt là theo giờ cố định.Vậy để đảm bảo cung cấp hơi
cho tòa nhà ta chọn trạm cấp nhiệt trung tâm gồmgồm 2 lò hơi kiểu ống
nước đặt đứng đốt, bao gồm: 2 lị hơi đốt dầu D.O cơng suất 1500 kg hơi/h.
•

6


Hệ thống nước nóng trung tâm thường bao gồm:
1.

2.

3.

4.

Module gia nhiệt cưỡng bức: Đây là module chính của hệ thống nước
nóng trung tâm, module gia nhiệt cưỡng bức thường sử dụng là bơm
nhiệt, boiler, thanh gia nhiệt điện trở hoặc kết hợp các module gia nhiệt
trên để cung cấp phần lớn nhiệt lượng cho các đối tượng sử dụng. Khi
không tận dụng được các nguồn năng lượng phụ trợ, module này phải
đảm bảo việc cung cấp đủ năng lượng cho các đối tượng sử dụng.
Module trao đổi nhiệt gián tiếp: Việc trao đổi nhiệt gián tiếp không
những không làm giảm hiệu suất trao đổi mà còn đảm bảo nguồn nước
được gia nhiệt không sinh cáu cặn, không bám cáu cặn vào các thiết bị
gia nhiệt, đảm bảo vệ sinh nước cấp, tránh được tắc nghẽn các module gia
nhiệt, nâng cao tuổi thọ các thiết bị trong hệ thống nước nóng trung tâm.
Module gia nhiệt thường là các tấm trao đổi nhiệt, ống trao đổi nhiệt,...
Module chứa nước nóng: Bao gồm các bồn chứa nước nóng sau khi gia
nhiệt, bồn chứa nước nóng này dùng để cung cấp/ dự trữ một lượng nước
nóng nhất định cho các đối tượng sử dụng. Các bồn chứa nước nóng có
thể tích hợp với các thiết bị gia nhiệt gián tiếp (ống đồng - coils)
Nguồn năng lượng phụ trợ: Việc sử dụng các nguồn nhiệt phụ trợ như
hệ thống thu năng lượng mặt trời, tận dụng nguồn nhiệt dư thừa từ nước
hồi chiller trước tháp giải nhiệt trong hệ thống nước nóng trung tâm sẽ
làm giảm tối đa năng lượng cần cung cấp cho hệ thống, làm giảm chi phí
vận hành cho hệ thống.

7


5.

6.

Vịng tuần hồn nước nóng tự động: Việc thiết kế vịng tuần hồn nước
nóng tự động - bơm hồi nước nóng về thiết bị gia nhiệt thường dễ gặp
phải các sai sót, đặc biệt trong các tịa nhà cao tầng, dẫn đến tình trạng
nước nóng khơng thể tuần hồn, mất cân bằng nóng và lạnh, quá nóng
cho các đối tượng sử dụng đầu nguồn nước, quá lạnh cho các đối tượng
cuối nguồn nước.
MODULE tận dụng nước hồi chiller
Việc tận dụng năng lượng nước hồi chiller (nước trước khi vào tháp giải
nhiệt) để sử dụng cho hệ thống nước nóng trung tâm không những tận
dụng được nguồn nhiệt dư thừa (nguồn nhiệt bỏ đi trước tháp giải nhiệt),
mà còn làm giảm áp lực làm mát cho tháp giải nhiệt, tiết kiệm năng lượng
tối đa, tiết kiệm chi phí cho đầu tư, đặc biệt là chi phí vận hành hệ thống
cung cấp nước nóng, chi phí cho việc giải nhiệt chiller.

1.3 Chọn phương án sử dụng nhiên liệu.
1.3.1.Các thơng số đầu vào.
o
• Nhiệt độ nước nóng t1= 76 C
o
• Nhiệt độ nước lạnh t2=16 C
t
• Nhiệt trị của than Qlv = 22.000 kj/kg•
Nhiệt trị của dầu Qlvt =40.000 kj/kg
t
• Nhiệt trị của Gas LPG Qlv =46.000 kj/kg
• Tính gia nhiệt cho 100 lít nước.
1.3.2. Tính nhiệt và chi phí.

a. Lượng nhiệt cần thiết để cung cấp cho 100 lít nước để tăng nhiệt độ
từ
t2=16 oC đến t1= 76 oC :
Q1 = mCp( t1 – t2 ) (*)
Trong đó :
- Q1(kJ: Nhiệt lượng cung cấp cho nước.
- m (kg): Khối lượng nước cần gia nhiệt: m =100 kg
- Cp (kj/kg.K): Nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho nước để tăng
1kg nước lên 1 oC
Cp =4,2 kj/kg.K
Thay số liệu vào ta được :
Q1 = 100.4,2.(76-16)= 25200 (kj )
b. Chi phí khi dùng là gas.
- Khi đốt n kg GAS thì nhiệt lượng sinh ra là:

8


Q3 =n.Qlvt =n. 46000 kJ
Trong đó : Qlvt = 46.000 kJ/kg : Nhiệt trị của gas LPG.
Tính với giá Gas là 25200 VNĐ/kG
Sau khi tính tổn thất là Q1 = Q3.h = n.Qlvt. h
Trong đó : h = 0.9 là hiệu suất của lò đốt bằng gas LPG
n= Q1/(Qlvt . h) =25200/(46 000.0,9) =0,61 kg
Vậy chi phí để gia nhiệt cho 100 lít nước bằng gas LPG là :
Tgas =n. 25 200 =0,61. 25 200 = 15 372(đồng/100l)
Tính tương tự ta có:
Chi phí để gia nhiệt cho 100 lít nước bằng than là Tthan=11454(đồng/l)
với h=0,5 ;n=2.3;giá 1 kg than tốt là 5000 đồng/1kg.
Chi phí để gia nhiệt cho 100 lít nước bằng dầu D.O là

Tdầu=11214(đồng/100l) với h=0,9;n=0,7;giá 1lit dầu D.O là 16020
đồng
Vậy từ số liệu trên ta chọn phương án lị đốt bằng dầu với chi phí rẻ và
dễ tự động hóa.

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ
2.1 Cấp hơi.
Hơi bão hòa từ 2 lò hơi cấp vào ống góp phân phối hơi. Từ ống góp phân
phối hơi cấp hơi cho các hộ tiêu thụ nhiệt bằng ống thép đen. Có 1 đường cấp
hơi chính từ ống góp hơi, được chia làm 4 đường nhỏ cấp hơi đi. Đường thứ
nhất cấp hơi cho thiết bị trao đổi nhiệt trên mái để cung cấp nước nóng, đường
thứ 3 cấp hơi cho phòng giặt là, đường thứ 2 cấp hơi cho thiết bị trao đổi nhiệt ở
bể bơi nhằm gia nhiệt cho bể bơi và đường cuối cung cấp cho nhà ăn.
2.2 Gia nhiệt cho nước.
Nước lạnh từ bể nước trên mái được bơm vào calorifel trao đổi nhiệt trên
mái, hơi đi qua thiết bị giúp gia nhiệt cho nước lạnh tăng nhiệt độ lên 76 oC sau
đó nước nóng được bơm vào bể chứa nước nóng được cách nhiệt dẫn qua bình
trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ.
2.3 Cấp nước nóng cho tòa nhà.
Lợi dụng trọng lượng của cột nước ta áp dụng phương pháp cấp nước nóng
ở trên cao bằng cách đặt bể nước nóng ở trên mái. Nước nóng sau khi qua bình
gia nhiệt mạng đặt tại trên mái được đưa tới bể dự trữ nước nóng. Tại đây, nước

9


nóng theo đường nước nóng chính đi tới ống phân phối nước nóng chia ra các
đường nước cấp nước nóng theo các hộp kỹ thuật dẫn xuống các phòng sử dụng
nước nóng ở dưới. Nước lạnh từ nguồn cấp bổ sung vào bể nước hồi, ở đâu
nước được hòa trộn với nước hồi và được gia nhiệt lên 1 chút bởi nước hồi có

nhiệt độ cao hơn. Khi bắt đầu chạy lị, nguồn nước dự trữ và nước hồi khơng có
thì nhiệt độ nước tại bể hồi chính bằng nhiệt độ nước lạnh, sau đó nước được
dẫn qua bình trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ.
2.4 Gia nhiệt cho bể bơi
Bể bơi có dung tích lớn nên cần thời gian để gia nhiệt lên nhiệt độ cần thiết.
Khi đạt nhiệt độ đó thì chỉ cần bù lượng nhiệt đã tổn thất băng cách nhận tín
hiệu từ cảm biến nhiệt độ trong bể bơi để điều chỉnh các van cấp nước nóng cho
bể bơi.
2.5 Hệ thống đường ống hồi.
Hơi sau khi gia nhiệt cho nước ở bình trao đổi nhiệt bề mặt (bình ngưng
ống vỏ) ngưng tụ lại thành nước. Nước ngưng được hồi cùng với nước bổ sung
đã được xử lí ở bể nước mềm cấp cho lò hơi. Chúng ta phải bổ sung nước mềm
cho lò hơi là do: nước ngưng trở về lò bị tổn thất do rò rỉ hoặc do hơi thốt khi
xả khí khơng ngưng trong hệ thống đường ống hơi.
Do tổn thất nhiệt nên khi ta để nước q lâu thì nhiệt độ nước nóng trong
hệ thống giảm. Khi nhiệt độ nước nóng xuống thấp quá khơng đủ đảm bảo sinh
hoạt thì cần phải hồi về bể hồi đặt ở trên cao. Sở dĩ ta hồi về bể nước hồi mà
khơng hồi về bể nước nóng tổng là vì để nhiệt độ của nước nóng tại bể tổng vẫn
đảm bảo nhiệt độ yêu cầu cấp cho các phịng, khơng bị giảm đi bởi lượng nước
hồi hịa trộn vào. ở cuối mỗi nhánh chính, tại tầng kỹ thuật, ta bố trí đường hồi
khi nhiệt độ t < 500C. Để thực hiện việc hồi nước, sử dụng một cụm van từ: Lấy
tín hiệu nhiệt độ nước nóng ở cuối mỗi đường ống cấp nước nóng chính, đưa tín
hiệu về điều khiển trung tâm, khi nhiệt độ nước nóng trong ống nhỏ hơn nhiệt
độ chỉ định thì van từ mở cho nước hồi về. Cịn một lượng nước nóng cung cấp
cho điểm sử dụng ở tầng dưới, chúng ta có thể xả bỏ khi nhiệt độ q thấp vì
nếu lắp đặt đường hồi thì sẽ khơng kinh tế vì đường ống hồi quá dài, trong khi
đó lượng hồi về lại rất nhỏ.
2.6 Hệ thống tự động.
Lò hơi được trang bị hồn tồn tự động:
- Tự động hóa q trình đốt.

-

Tự động cấp nước.

-

Khống chế nhiệt độ vách lò.

10


-

Khống chế áp suất trong lị hơi, van an tồn.

-

Bộ khống chế nhiệt độ nước nóng trong hệ thống: Khi nhiệt độ
trong hệ thống lớn hơn 76 0C thì van từ cấp hơi đóng, ngừng cấp
hơi gia nhiệt và lị hơi tự động ngừng đốt, khi nhiệt độ trong hệ
thống nhỏ hơn 760C thì van từ cấp hơi mở cấp hơi gia nhiệt để gia
nhiệt cho nước và lò hơi tự động đốt trở lại.

Khống chế mức nước trong bể nước nóng: Khi mực nước trong bể giảm
nhỏ hơn mức cho phép thì bơm cấp tự hoạt động cấp nước cho bể, khi mực
nước cao hơn mức cho phép thì bơm cấp tự ngừng cấp nước cho bể.
Và cứ 4 tầng ta đặt một bộ van tiết lưu, 1 bơm và bộ đo đồng hồ cao áp và
đồng hồ đo áp thấp để điều chỉnh áp suất nước tại các tầng tránh hiện tượng sụt
áp hay cao áp ảnh hưởng đến đường ống cũng như chất lượng phục vụ.
2.7.Các đường ống nhánh.

Các đường ống nhánh dẫn tới từng buồng trong từng đơn nguyên sẽ đi
trong hộp kỹ thuật (ống có bảo ôn cách nhiệt) hoặc đi ngầm trong tường ( với
đoạn ngắn tới từng vịi nước nóng)

Ưu nhược điểm của hệ thống:
ưu điểm:
- Lị khơng phải hoạt động liên tục và luôn hoạt động ở phụ tải kinh tế nên
hiệu suất lị cao.
- Dung tích két nước nóng và cơng suất lị trung bình vậy ta có thể chạy
lị bù nhiệt liên tục cho thiết bị trao đổi nhiệt và cấp nước cho bình trao đổi nhiệt
những lúc có phụ tải.
- Do ta sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu liên tục nên có thể đáp ứng nhu
cầu nước nóng và hơi cho nhà máy một cách nhanh nhất.
- Hệ thống này có khả năng khống chế nhiệt độ nước nóng tốt, khả năng
tự động hóa cao. Có khả năng đáp ứng tốt nhu cầu nước nóng và hơi của nhà
máy.
- Hệ số an toàn của hệ thống cao.
Nhược điểm:
- Quản lí và vận hành tương đối phức tạp.
- Chi phí đầu tư khá cao do lắp đặt bình gia nhiệt, các thiết bị tự động

11


CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH
3.1 Tính chọn thiết bị trao đổi nhiệt.
Trong sơ đồ nhiệt ta thấy rằng mơi chất truyền nhiệt ở đây là hơi, cịn mơi
chất nhận nhiệt là nước lạnh. Vì vậy ta chọn thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bình
ngưng ống vỏ. Ta tính trong trường hợp hoạt động của 1 bình đủ cung cấp cho
nhu cầu dùng nước nóng của tịa nhà trong thời gian cao điểm.

Bình gia nhiệt phải thỏa mãn điều kiện làm việc trong trường hợp xấu nhất đó
là: vào giờ cao điểm hoặc khi bắt đầu đốt lò, lượng nước hồi coi như bằng
không, nhiệt độ đầu vào của nước lạnh cần gia nhiệt bằng nhiệt độ nước thấp
nhất do đó cần độ gia nhiệt lớn. Cịn trong trường hợp có nước hồi và khơng
phải giờ cao điểm thì chỉ cần giảm cơng suất lị hoặc tắt một lị.
Nước lạnh cần gia nhiệt có nhiệt độ đầu vào t = 16 oC và nhiệt độ đầu ra t=76 oC
là đảm bảo nhiệt độ yêu cầu dùng nhiệt.
Các thông số cần thiết khi tính chọn bình ngưng ống vỏ:
Bình ngưng hơi nước kiểu ống vỏ nằm ngang, ở nhiệt độ ngưng tụ 151,84 oC.
Hơi ngưng bên ngoài các ống khơng có cánh, với đường kính d 2/d1 = 19/16
mm , ống bằng thép có = 45 W/m0K, bước ống s = 1,5 d2. Nước được gia nhiệt
chảy trong ống với tốc độ = 0,5 m/s , nhiệt độ nước vào 16 oC, nhiệt độ nước ra
= 76 oC. Nhiệt tỏa ra môi trường Qt = 2%. Qk, số hành trình N = 4.
Cân bằng nhiệt bình ngưng với nhiệt do nước lạnh nhận được Q1:
Q2 = Qt + Q1
Q1 =Q2 -Qt =98% Q2
Q2 =1,02Q1
- Lượng nhiệt mà nước lạnh cần nhận được từ hơi nước bão hòa sinh ra từ
lị hơi:
-

Nhiệt độ trung bình t1 của nước lạnh: =0,5(76 + 16) = 46 oC

Từ nhiệt độ 46 oC tra bảng các thơng số vật lí của nước trên đường bão hịa ta
ρ1

có: Cpl = 4,174 kJ/kg.K
ν1

= 990,05 kg/m3

λ1

= 0,605.10-6 m2/s
= 64,15. 10-2W/m.K
Prf = 3,925
Vậy lượng nhiệt mà nước lạnh cần nhận được là:
Q1 = 283.10-3.990,05.4,174.(76-16)/3600= 14,94 (kW)
- Lượng nhiệt mà hơi nước cần tỏa ra là:
Q2 = 1,02.14,94 =15,24 (kW)
Tiêu chuẩn Re của nước trong ống:

12


Re f =

ω1.d1 0,65.16.10 −3
=
= 17190 ≈ 1,72.104 > 1.10 4
−6
ν1
0,605.10

Như vậy nước chảy rối trong ống. Theo công thức(2-18.TBTĐN) khi giả
Nu f = 0,021. Re 0f,8 . Pr f0, 43 . A

thiết l>50.d2, ta có:

Coi như hơi nước ngưng bên ngồi ống có nhiệt độ khơng đổi, nghĩa là

khơng có sự q lạnh của nước ngưng bên ngồi khơng gian giữa các chùm ống
nên sơ đồ cùng chiều và ngược chiều như nhau.
Vậy độ chênh nhiệt độ trung bình

∆

t bằng:

'
''
∆t1 − ∆t2 ( tk − t1 ) − ( tk − t1 ) ( 151,84 − 16 ) − ( 151,84 − 76 )
∆t =
=
=
= 102,940 C
'
∆t
151,84 − 16
t −t
ln
ln 1
ln k 1''
∆t 2
151,84 − 76
tk − t1

Vì

 Pr f 


A = 
Pr
 w

0 , 25

, muốn tìm Prw phải biết nhiệt độ bề mặt trong ống tw1. Ta

có thể chọn nhiệt độ tw1 như sau (sau này sẽ kiểm tra lại việc chọn này).
tw1 = tk −

∆t
102
= 151 −
2
2

= 1000C

Tra bảng thơng số vật lí của nước trên đường bão hịa ta có: Pr w = 1,75 và
tính được:
Từ đó:

A = (3,925/1,75)0,25 = 1,223
Nu f = 0, 021( 17190 )

0,8

. ( 3,925 )

13

0,43

.1, 223

=113.04


Hệ số tỏa nhiệt
α1 = Nu f

α1

của nước:

λ1
64,15.10−2
= 113, 04.
d1
16.10 −3

= 4532,2 W/m2.K

Để xác định hệ số tỏa nhiệt khi ngưng hơi nước bên ngồi ống nằm ngang
ta dùng cơng thức(2-31.TBTĐN):
α N = 0,728.

Theo(2-31a), ta có:
-

α 2 = 1,2.α N .ε i

( λ .ρ
3

2

.g.r

)

0 , 25

( µ.∆t.d ) 0,25

Với nhiệt độ ngưng tụ của hơi nước tk = 1510C, tra bảng thơng số vật lí
của nước ta có:
λ2

ρ2

= 907 kg/m3

-2

r = 2088,9.103 J/kg
µ

0

= 68,3.10 W/m. K

= 173,6.10-6 N.s/m2

ở đây ta chọn nhiệt độ tw2 = tw1 = 1000C;
∆t

= tk - tw2 = 151 - 100 = 510C

( 0, 683 .907 .2088,9.10 .9,81)
= 0, 728.
( 173, 6.10 .51.19.10 )
3

αN

Vậy:
-

2

3

0,25

−3 0,25

−6

= 11775,2 (W/m2.0K)

Số ống trong một hành trình m theo(2-98):
m=

4.G1
4.0,07861
=
2
π .d1 .ρ1.ω1 π .0,016 2.990,05.0,4

14

= 0,9873

≈

1


Sau khi đã tính được số ống trong một hành trình m = 1, ta kiểm tra lại tốc
độ nước chảy trong ống xem có thỏa mãn giá trị chọn lúc đầu

ω1

= 0,4 m/s

không?
-

Tiết diện của các ống trong một hành trình f1:
π .d12
π .0,016 2
f1 = m.
= 1.
= 2,011 .10 −4
4
4

-

Tốc độ nước trong ống lúc này
ω1' =

ω1'

:

Gn 0,07861.10 −3
=
=
f1
2,011 .10 −4

0,391 (m/s)

'
Ta nhận thấy rằng ω1 = 0,4 m/s có thể coi bằng

khơng phải tính lại hệ số tỏa nhiệt của nước

-

(m2)

α1

ω1

= 0,391 m/s nghĩa là ta

.

Tổng số ống theo(2-99)" Thiết bị trao đổi nhiệt":
n = m.N = 1.4 = 4 (ống)
với tổng số ống n = 16 ống ta có thể chọn số hàng ống z = 5 và hệ số

theo (2-32) bằng:

ε i = z −1 / 6 = 5 −1 / 6 = 0,77

Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng hơi bên ngoài chùm ống:
α 2 = 1,2.α N .ε i

= 1,2.9661,2.0,77 = 8926,9 (W/m2.K)

15

εi

ở đây

d 2 19
=
= 1,1875 < 1,4
d 1 16

. Vậy ta có thể dùng cơng thức cho vách phẳng

để tính hệ số truyền nhiệt với chiều dày

δ

= 0,5(d2 - d1) = 0,5(19-16) = 1,5 mm

như sau:
k=

1

1 δ
1
+ +R+
α1 λ
α2

=

1
−3

1
1,5.10
1
+
+ 0,0002 +
766,73
45
8926,9

= 606,21 (W/m2.K)

trong đó: R = 0,0002 m2.K/W- nhiệt trở của lớp cáu cặn phía nước lạnh.
F=
-

Tổng diện tích bề mặt ống:

Q1
14,94.103
=
= 0, 2394
k .∆t 606, 21.102,94

(m2)

Chiều dài l của ống theo(2-100), với d tb = 0,5(19 + 16) = 17,5 (mm), ta có:
l=

F

0, 2394
=
n.π .d tb 4.π .17,5.10−3

= 1,09 (m)

Kiểm tra lại việc chọn nhiệt độ bề mặt ống:
tw1 = tk −

t w 2 = tk −

q
∆t
102,94
= tk − k . = 151 − 606, 21.
α1
α1
766,73
q
102,94
= 151 − 606, 21
=
α2
8926,9

= 70 (0C)

144 (0C)

Như vậy so với giá trị đã chọn t w1 = tw2 = 1000C với giá trị tính tốn, sai số

đáng kể và ta phải chọn lại nhiệt độ để tính lại.
Chọn tw1 = 700C, tra bảng thơng số vật lí của nước trên đường bão hịa ta
được: Prw = 2,55

16


Vậy: A = (3,925/2,55)0,25 = 1,11
Từ đó:

Nu f = 0, 021( 17190 )

Hệ số tỏa nhiệt

α1

α1 = Nu f .

0,8

. ( 3, 925 )

.1,11

= 80,2

của nước:
λ1
67,1.10−2
= 80, 2.

d1
16.10 −3

Chọn nhiệt độ tw2 = 1440C, ta có
αN

0,43

∆t

= 3363,7 (W/m2.K)

= 151 - 144 = 70C

( 0,684 .916 .2088,9.10 .9,81)
= 0,728.
(186,3.10 .7.19.10 )
3

2

3

0 , 25

−3 0 , 25

−6

= 15803,44 (W/m2.K)

Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng bên ngoài chùm ống:
α 2 = 1,2.α N .ε i

= 1,2.15803,44.0,77 = 14602,38 (W/m2.K)

Vậy hệ số truyền nhiệt k:
k=

1
1
=
−3
1 δ
1
1
1,5.10
1
+ +R+
+
+ 0,0002 +
α1 λ
α 2 734,75
45
14602,38

F=

Tổng diện tích bề mặt ống:
l=

Chiều dài l của ống:

= 601,39 (W/m2.K)

Q1
14,94.103
=
= 0, 2484
k .∆t 601,39.100

F
0, 2484
=
n.π .dtb 4.π .17,5.10−3

Kiểm tra lại việc chọn nhiệt độ bề mặt ống:

17

= 1,13(m)

(m2)


tw1 = tk −

t w 2 = tk −

q

∆t
102,94
= tk − k . = 151 − 601,39.
α1
α1
3363, 7
q
102,94
= 151 − 601,39.
=
α2
14602,38

= 66,7 (0C)

147,7 (0C )

Vậy so với giá trị đã chọn với giá trị tính tốn khi tính lặp, sai số khơng
đáng kể và ta khơng phải tính lại nữa.
Khi chọn hệ số điền đầy ống của mặt sàng

η

= 0,6 theo cơng thức (2-93)

đường kính trong của vỏ thiết bị bằng:
D = 1,1.s.d 2 .

n
4

= 1,1.1,5.19.
η
0,6

= 80,95 mm

Vậy sau khi tính tốn chúng ta sẽ chọn thiết bị trao đổi nhiệt thỏa mãn
những điều kiện trên.
- Chọn hệ thống xử lí nước
Đối với lị hơi ống nước thì chất lượng nước cấp cho lị có một vai trị rất
quan trọng đối với việc vận hành an toàn và kinh tế của lị hơi.
Mục đích xử lí nước là ngăn ngừa hiện tượng tạo thành cáu bám trên tất
cả các bề mặt đốt, duy trì độ sạch của hơi ở một mức độ cần thiết, ngăn ngừa
q trình ăn mịn trong đường nước và đường hơi.
Nguyên lí làm việc: Cho nước đi qua một lớp vật chất có khả năng nhả vào
nước cation, đồng thời hấp thụ những cation Ca2+ và Mg2+ có trong nước.
- Đối với nhà máy, lị hơi có cơng suất khơng cao, thơng số hơi thấp vì vậy
để đảm bảo kinh tế ta chọn hệ thống xử lí nước bằng phương pháp trao đổi

18


cation Na+. Khi trao đổi cation Na+ toàn bộ độ cứng được khử, nhưng độ kiềm
và các thành phần muối không thay đổi.
- Các phản ứng xảy ra khi xử lí nước:
Ca(HCO3)2 + 2NaR = CaR2 + 2NaHCO3
Mg(HCO3)2 + 2NaR = MgR2 + 2NaHCO3
CaCl2 + 2NaR = CaR2 + 2NaCl
MgCl2 + 2NaR = MgR2 + 2NaCl
CaSO4 + 2NaR = CaR2 +Na2SO4

MgSO4 + 2NaR = MgR2 + Na2SO4
- Trong quá trình làm việc lâu dài, khi các cationit dần bị kiệt hết các
cation thì chất lượng nước xử lí giảm. Do đó để đảm bảo cho hệ thống làm việc
tiếp tục thì bắt buộc phải tiến hành hồn ngun cationit. Ngun lí làm việc
hồn ngun là cho dung dịch muối NaCl có nồng độ từ 6%-8% đi qua cationit
đã bị làm yếu. Trong thực tế NaCl cần cho q trình hồn nguyên thường là từ
2,5 đến 3,5 lượng NaCl theo lí thuyết.
- Các phản ứng hoàn nguyên xảy ra như sau:

CaR2 + 2NaCl = 2NaR + CaCl2

MgR2 + 2NaCl = 2NaR + MgC2

Sơ đồ hệ thống xử lý nước dùng bình cation natri

19


1-bể dung dịch muối; 2- bình lọc dung dịch muối;
3-thùng chứa dung dịch muối đã lọc; 4- bình cationit natri
5- Bơm dung dịch muối; 6- bơm nước qua bình cationit natri
7- đường nước để rửa bình lọc hay để chuẩn độ dung dịch muối
8- đường tái tuần hoàn của bơm muối;9- đường dung dịch muối hoàn
nguyên; 10- đường nước chưa xử lý; 11- đường nước mềm; 12-đường
nước rửa ngược; 13- xả.
3.2 Tính chọn bơm cấp nước.
Để đảm bảo cho lị hơi làm việc một cách đầy đủ và liên tục ta chọn 2 bơm
ly tâm cho 1 lò, mỗi bơm có cơng suất 100% cơng suất u cầu (1 bơm
hoạt động và 1 bơm dự phịng).
- Mỗi bơm có thơng số tối thiểu như sau:

+ Năng suất bơm cấp:
Q = β.D kg/h
trong đó: β = 1,25 là hệ số dự phòng.
D - lưu lượng hơi của mỗi lò; D = 1500 kg/h

20


Vậy: Q = 1,25.1500 = 1875 (kg/h )
+ Cột áp làm việc của bơm:
H = 1,2.Plv = 1,2.5 = 6 bar
1,2 - hệ số dự trữ
Plv - áp suất làm việc của lị hơi; Plv = 5bar
+ Cơng suất điện của động cơ:
N=

100.H .Q
100.6.1875
=
ηb
0,75.3600.988

=0,4217 (kW)

trong đó: Q - năng suất của bơm, m3/s
H - cột áp của bơm, bar.
η = 0,75 - hiệu suất của bơm.

3.3 Thiết bị trao đổi nhiệt cho bể bơi.
Khi bể bơi bắt đầu khởi động

-

Lượng nhiệt cần cấp cho 100m3 nước bể bơi từ t2 lên t3

Q3= Cp.m.(t3-t2)=4,2.100.1000.(36-16)=8400000(kJ)
-

Khi tính đến hệ số tổn thất nhiệt ra mơi trường ta có:

Q’3=Ktt.Q3=1,02.84000000=8568000(kJ)
-

Thơng thường cần 16 giờ để gia nhiệt cho bể bơi lên cơng suất lị hơi yêu
cầu

21


Q0= Q’3/16=8568000/16=5335500(kw/h)
-

Lưu lượng nước nóng ở 76 để làm nóng bể bơi là:

G= Q0/Cp.=6,375(m3/h)
Chọn thiết bị trao đổi nhiệt ống vỏ như của tịa nhà.

CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN MẠNG NHIỆT
Mục đích đảm bảo cấp nước,hơi một cách đầy đủ cho toàn bộ các cơ sở
trong khách sạn tại mọi thời điểm.
Tổn thất áp suất toàn phần bao gồm 2 phần: tổn thất do ma sát dọc đường

ống và tổn thất áp suất cục bộ do các trở lực khác trên đường ống.
Tổn thất áp suất tồn phần được tính theo công thức sau:
∆p tp = Rdd ( l + l td ) = Rdd .l tt

ở đây:
-

∆p

- tổn thất áp suất tính trên một đơn vị chiều dài
Rdd =

λ.ω 2
.γ
2.d .g

, Pa

,

- ltt - chiều dài tính tốn của đường ống, m
- Khi tính tốn tìm áp suất tại điểm cuối, ta sử dụng công thức đối
với chất lỏng không chịu nén chuyển động trong ống dẫn như sau(viết
cho 1 kg):
Z1 g +

ω 12 P1
ω 2 P δP
+ = Z2g + 2 + 2 +
2

ρ
2
ρ
ρ

trong đó: z1 và z2 - chiều cao hình học của ống dẫn ở tiết diện 1 và 2 so
với mặt ngang, m;

22


ω1 và ω2 - tốc độ chuyển động của chất lỏng ở tiết diện 1 và 2,
m/s;
P1 và P2 - áp suất chất lỏng ở tiết diện 1 và 2, m/s;
ρ - khối lượng riêng của chất lỏng ở tiết diện 1 và 2, Pa;
g = 9,81 m2/s – gia tốc rơi tự do;
ω2
2 - động năng của 1 kg chất lỏng ở tiết diện đã cho;
P
ρ

- thế năng của 1 kg chất lỏng ở tiết diện đã cho, J/kg;

δP
ρ

- tổn thất thế năng của 1 kg chất lỏng do ma sát và trở kháng cục bộ
trên đoạn ống 1-2, J/kg.

4.1 Tính tốn thủy lực ống dẫn cấp nước nóng

Sử dụng ống thép tiêu chuẩn chịu nhiệt CT3 theo tiêu chuẩn liên xô
Ống dẫn hơi nước Ktđ = 0,2 mm, ống dẫn nước nóng Ktđ = 0,5 mm, ống dẫn
nước ngưng Ktđ = 1 mm
Ống cái chính là ống dài nhất
Bảng 4.1 vận tốc tới hạn nước trong ống
Ktđ
0,
2
0,
5
1,
0

0
5,1

50
1,6

1,98

0,5
8
0,29

1

Nhiệt độ oC
75 100
1,1 0,86

5
0,4 0,34
6
0,2 0,18
4

150
0,59
0,23
0,12

23


Áp suất dư theo tiêu chuẩn tại các hộ tiêu thụ < 1 bar nên ta bố trí van giảm áp
dọc các trục kỹ thuật
Áp lực thủy tĩnh trên đường ống không vượt qua giới hạn H = 60 mH2O
Khối lượng riêng của nước nóng trong hệ thống mạng nhiệt coi như không đổi
và lấy ở nhiệt độ 76 oC
ρ (kg/m3)
974,8

ɣ (N/m3)
9563

Ktđ (mm)
0,5

ν (m2/s)
3.9.10-7

4.1.1 Tính thủy lực cho đường ống ngang
Đoạn A-C
Chia đường ống thành 4 phân đoạn ống chiều dài như sau:
l1 (m)
l2(m)
5
5
- Phân đoạn 1 đường ống ngang Q-W

l3 (m)
5

L4
5

Theo yêu cầu của khách sạn mà ta đã tính ở phần xác định phụ tải nhiệt ta có
lượng nước nóng ở 760C cho mỗi phịng trong giờ cao điểm là 40 lít. Nhưng
trong thực tế khi tắm người ta chỉ lấy nước nóng vào bồn trong khoảng 10 phút
trước khi tắm. Vì vậy lượng nước yêu cầu trong giờ cao điểm phải đáp ứng
trong khoảng 10 phút. Lưu lượng nước nóng cho mỗi phịng trong 1 phút là:
G76 = 4 (l/phút)
Mỗi trục kỹ thuật có 20 phịng => Vtrục = 4.20 = 80 (l/phút)= 1,333.10-3 (m3/s)
Lưu lượng nước chảy qua phân đoạn 1 (l1) : V= 4.Vtrục = 0,0053 (m3/s)
Chọn sơ bộ vận tốc nước chảy

ω kt

= 0,46 m/s

Áp suất ở đầu phân đoạn 1
P1’ = Po + H.g.ρ =

119125 Pa

Po = 105 Pa áp suất khí quyển

24


H = 2m chiều cao cột nước trong bể chứa chọn sơ bộ
g = 9,81 m2/s gia tốc trọng trường
ρ = 974,8 kg/m3 khống lượng riêng nước nóng ở 760C
Phương trình Bernuli :
g+ + = g+ + +
Đường kính ống dẫn nước nóng ứng với tốc độ lớn nhất:
d = =121,1 mm
ta chọn ống 125mm
Xác định lại vận tốc nước đi trong ống:
ω=

4.V
π .d 2

=0,431 (m/s)

Tiêu chuẩn Re:

Re = = 1384239,15

Nhận thấy Re 568. = 142000 do đó được tính theo công thức sau:
= 0,11.( =0,027
Suất giáng áp đường dài:
= ..=19,55 (Pa/m)
Chiều dài tương đương
Phân đoạn 1 (1 khủy cong r =2d ) Ltd = 2.51 m

Ltd = 2.51 m
Chiều dài quy dẫn

Lqd = L + Ltđ

= 7,51 m

Tổng giáng áp

δp = Rdd.Lqp = 146,87 Pa

Coi như độ cao bằng nhau và vận tốc không đổi
Áp suất cuối đường ống

:

P” = P’ – δp

25