Ver. 1.0 66
Chơng 5. Trao đổi nhiệt trong lò hơi

Trao đổi nhiệt trong thiết bị lò hơi bao gồm hai dạng là bức xạ và đối lu.
Trong phạm vi buồng lửa trao đổi nhiệt bức xạ là chủ yếu vì ở đây có bức xạ trực tiếp
từ ngọn lửa có nhiệt độ cao đến các bề mặt truyền nhiệt bố trí trong buồng lửa, còn
thành phần đối lu ở đây không đáng kể do tốc độ của dòng khói nhỏ và do các ống
sinh hơi bị tro bám bẩn nên có trở lực nhiệt lớn. Trong đờng khói của lò hơi có cả
trao đổi nhiệt đối lu và trao đổi nhiệt bức xạ. Trong đờng khói có bức xạ nhiệt là do
có các khí ba nguyên tử và các hạt tro, hạt than bay theo khói, nhng trao đổi nhiệt
đối lu là chủ yếu. Chính vì vậy các bề mặt truyền nhiệt đặt trong đờng khói đợc
gọi là bề mặt truyền nhiệt đối lu.

5.1 Khả năng bức xạ của ngọn lửa

Dựa theo cờng độ bức xạ trong vùng phổ thấy đợc ngời ta phân chia các
dạng ngọn lửa sáng, nửa sáng, không sáng. Sự bức xạ của ngọn lửa sáng và nửa sáng
là do các hạt ở thế rắn trong sản phẩm cháy, đó là các hạt cốc, hạt tro, hạt mồ hang. Sự
bức xạ của ngọn lửa không sáng là do có các khí ba nguyên tử nh SO
2
, CO
2
, H
2
O
trong buồng lửa.
Cờng độ bức xạ của các hạt rắn trong ngọn lửa phụ thuộc vào kích thớc các
hạt, tính chất và nồng độ của chúng trong thể tích của buồng lửa. Sự bức xạ của các
chất khí ba nguyên tử trong buồng lửa đợc xác đinh bởi nồng độ các chất khí này và
bởi chiều dày của thể tích bức xạ.
Hệ số bức xạ nhiệt của môi trờng khí đợc biểu thị qua định luật Bu-ghe

k là hệ số làm yếu bức xạ bởi môi trờng buồng lửa;

p
là áp suất của các chất khí trong buồng lửa, MPa.
Chiều dày hiệu quả của lớp bức xạ trong buồng lửa s đợc tính theo công
thức:
3,6
bl
v
V
s
F
=
, m (5-3)
trong đó:
bl
V là thể tích buồng lửa, m
3
;
Ver. 1.0 67
v
F là diện tích các tờng buồng lửa m
2
.
Khi đốt bột than trong buồng lửa phun,
ngọn lửa sáng choán hầu nh toàn bộ thể tích
buồng lửa (xem hình vẽ 5.1) và độ chiếu sáng
của
ngọn lửa khá đồng đều theo
chiều cao của buồng lửa. Hệ


c
k là hệ số làm yếu bức xạ bởi các hạt cốc;


là hệ số kể đến khả năng phản ứng của nhiên liệu (kém phản ứng hay có
khả năng phản ứng cao).
Ngọn lửa sinh ra khi đốt nhiên liệu rắn nói chung thuộc kiểu ngọn lửa nửa
sáng. Ngọn lửa khi đốt khí và đốt FO quy ớc gồm hai phần là phần sáng và phần
không sáng, do vậy hệ số bức xạ nhiệt của ngọn lửa (độ đen của ngọn lửa) đợc xác
định nh sau:

()
ama 1ma
ls ks
=+ , (5-5)
trong đó:

s
a là hệ số bức xạ nhiệt của phần ngọn lửa sáng đợc xác định theo công thức
(5-2), còn k
l
đợc thay bằng k
s
: kkkr
sm
g
n
=
+ , với

1
a
1
11
a
bl
d
l
=

+


. (5-6)
Dòng nhiệt bức xạ trung bình đợc các dàn ống sinh hơi hấp thu là

4
3
T
qca 10
100
l
bx 0 bl d


=


, kW/m
2


0,6
"
0,6
Bo
Bo Ma
bl
0,6
bl
=
+
, (5-9)
Công thức này thể hiện sự liên hệ giữa nhiệt độ không thứ nguyên của khói ở
cửa ra buồng lửa
bl
''

và tiêu chuẩn Boltzmann (Bo), tiêu chuẩn này đặc trng cho tỷ
lệ giữa lợng nhiệt sinh ra khi cháy nhiên liệu so với cờng độ tỏa nhiệt tối đa đến các
bề mặt dàn ống đặt trên tờng. Đặc tính của trờng nhiệt độ trong thể tích buồng lửa
cũng đợc kể đến qua hệ số
M
.
Nhiệt độ không thứ nguyên của khói
bl
''

là tỷ số giữa nhiệt độ khói ở cửa ra
buồng lửa
bl

=

, (5-11)
và
4
BQ 1
Bo
cFT1
tt bx
0dva bl
''
=

. (5-12)
Đặc tính nhiệt chủ yếu của buồng lửa là lợng nhiệt sinh ra hữu ích trong
buồng lửa
bl
Q và entanpi của khói ở chỗ ra khỏi buồng lửa (ở cửa ra buồng lửa)
bl
''
I
.
Nhiệt lợng sinh ra hữu ích trong buồng lửa
bl
Q đợc xác định theo công thức sau:

346
4
100 q q q
QQ QQ Q

Q
kk
= Q
kkn
+ Q
kkl
(5-14)
=
()
()
(
)
(
)
kkl
0
kkngbl
kkl
0
kkngblbl
CtVCtV ++
,(5-14)
trong đó:

bl

là hệ số lọt không khí lạnh vào buồng lửa;

n
g

tb
Vc là tổng nhiệt dung riêng trung bình của sản phẩm cháy 1 kg nhiên liệu
trong khoảng nhiệt độ
0
a

ữ (kJ/kgK). Nhiệt độ cháy đoạn nhiệt phụ thuộc vào dạng
nhiên liệu và vào hệ số không khí thừa và có giá trị nh sau:

1700 1850
a

=ữ
o
C đối với than nâu và than bùn;

1850 2100
a

=ữ
o
C đối với than đá, antraxit, FO và khí thiên nhiên.
Ver. 1.0 70
Việc tính toán trao đổi nhiệt trong buồng lửa dựa trên hai phơng trình chủ
yếu sau:
-
Phơng trình cân bằng nhiệt:

()
(


11
T
BQ ca xFT 1 .10
T
4
4
tr
tt bx 0 bl v l
4
l


=


. (5-18)
Khi thay
T
1
T
4
tr
4
l
= và x
d
= ta đợc:

11

Đối với buồng lửa một buồng:
- Đốt FO và nhiên liệu khí:
M0,540,2X
=

;
- Đốt nhiên liệu rắn có khả năng phản ứng cao trong buồng lửa phun và trong
buồng lửa ghi: M = 0,59 0,5M;
- Đốt nhiên liệu rắn kém phản ứng (antraxit và than gầy) trong buồng lửa phun
và các loại than có độ tro cao: M = 0,59 0,5M;
Đối với buồng lửa phun giá trị tối đa của
M
lấy không lớn hơn 0,5 không phụ thuộc
vào
X
.
Vị trí tơng đối của điểm có nhiệt độ cực đại trong buồng lửa
X
đợc xác
định bằng tỷ số giữa khoảng cách từ đáy buồng lửa hay từ giữa phễu tro lạnh đến mặt
phẳng có nhiệt độ cực đại của khói (thờng ở độ cao của trục vòi phun)
h
vf
và khoảng
cách đến giữa cửa ra buồng lửa
H
bl
(xem hình vẽ 5.2):

h

5,67.a MT T M T
tt bx a
v
32
bl d bl a bl

=



, m
2
(5-23)
Khi tính nhiệt kiểm tra buồng lửa phải xác định nhiệt độ khói ở cửa ra buồng
lửa theo công thức sau:

"
T
273
a
1M
Bo
a
bl
0,6
bl
=

+


,
o
C (5-25)
trong đó:
dtb

là hệ số hiệu quả nhiệt trung bình của dàn ống đặt trên tờng;
()
tb
Vc
là
tổng nhiệt dung trung bình của sản phẩm cháy.

5.3. Tính toán trao đổi nhiệt trong đờng khói phía sau buồng lửa

5.3.1. Trao đổi nhiệt bức xạ trong đờng khói của lò hơi

Lợng nhiệt hấp thu bằng bức xạ của một đơn vị bề mặt truyền nhiệt đối lu ở
phần đuôi lò đợc xác định bởi phơng trình sau

()
a1
qa TT
2
44
tr
bx 0 tr
+
=
, W/m


+
=

, W/m (5-27)
hay
()
qt
bx bx tr
=
, W/m
2
(5-28)
trong đó

là nhiệt độ của khói (
o
C). Do đó hệ số tỏa nhiệt bức xạ của sản phẩm cháy
bx

đợc tính theo công thức:

()
11
T
1
a1
T
5,67.10 a T
T

2

=++



,
o
C (5-30)
trong đó:

t là nhiệt độ trung bình của môi trờng lu động bên trong ống, bằng trung
bình cộng của nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối (
t(tt)/2'''
=
+ ),
o
C;


là hệ số bám bẩn bề mặt truyền nhiệt đối lu (trở lực nhiệt của lớp bẩn bám
trên bề mặt ngoài của ống hoặc của lớp chất chịu lửa và lớp xỉ trên dàn ống có gai,
m
2
K/W;

2

là hệ số tỏa nhiệt từ vách ống đến môi chất lu động trong ống, W/m
2

tro trong sản phẩm cháy, g/m
3
.
Hệ số làm yếu bức xạ bởi các hạt tro rắn đợc tính theo công thức:

1
k7
dT
tr
2
n
=
, (5-33)
với
n
d là đờng kính hạt tro ( m
à
).
Ver. 1.0 73
Chiều dày của lớp bức xạ giữa các ống trong chùm ống đối lu s phụ thuộc
vào bớc ống ngang tơng đối
1
(/)sd và bớc ống dọc tơng đối
2
(/)sd, thờng
0,1 0,2s =ữ m.

5.3.2 Trao đổi nhiệt đối lu

Bề mặt truyền nhiệt đối lu thờng có dạng chùm ống. Trong lò hơi môi chất

K; H là bề mặt truyền nhiệt tính toán,
m
2
; t là độ chênh lệch nhiệt độ giữa môi trờng nóng và môi chất đợc đốt nóng, K;
tt
B
là lợng nhiên liệu tiêu hao tính toán, kg/s.
Trong các chùm ống đối lu
H
(m
2
) đợc lấy bằng toàn bộ bề mặt ngoài của
ống (về phía khói). Bề mặt truyền nhiệt của bộ sấy không khí kiểu ống đợc tính theo
đờng kính trung bình của ống.
Phơng trình cân bằng nhiệt dùng để tính nhiệt lợng do khói truyền đi bằng
nhiệt lợng do hơi, nớc hay không khí hấp thu:

()
QII I
0
gg
kklọt
'''= +
, kJ/kg (5-35)
ở đây:
g
'
I
và
g

Qii
B
tt
'' '
=
, kJ/kg (5-37)
trong đó:
D là lu lợng hơi nớc đi qua bề mặt truyền nhiệt tính toán, kg/s; ''i và 'i
lần lợt là entanpi của hơi (nớc) ở chỗ ra và chỗ vào bề mặt tính toán, kJ/kg;
g
.ô
i là
lợng nhiệt do 1 kg hơi truyền cho nớc làm lạnh (ở bộ giảm ôn kiểu bề mặt), kJ/kg.
-
Đối với bộ sấy không khí:

(
)
''
0
QII
2
0
skk
skk skk skk
" '


= +



1
k
11
tr kl c
1trklc 2
=

++++

, W/m
2
K (5-39)
trong đó:

1
và
2
lần lợt là hệ số tỏa nhiệt từ môi trờng nóng đến vách ống và từ
vách ống đến môi trờng đợc đốt nóng, W/m
2
K;

kl
và
kl
lần lợt là chiều dày và hệ số dẫn nhiệt của kim loại vách ống,
W/mK;
tr tr
= là trở lực nhiệt của lớp bẩn bám trên ống hay còn gọi là hệ

1
k






==

++
++


, W/m
2
K (5-40)
Công thức này đợc dùng để tính bề mặt truyền nhiệt của bộ quá nhiệt.
ở bộ
quá nhiệt thờng
2
1000

W/m
2
K và
1
100

<

. Vì đối với bộ sấy không khí ta không có những
số liệu về nhiệt trở của lớp bám bẩn

và mức độ bọc không đều bề mặt bởi dòng
khói và dòng không khí nên ảnh hởng đồng thời của chúng đợc kể đến bằng hệ số
sử dụng

xác định qua thực nghiệm. Do vậy hệ số truyền nhiệt đối với bộ sấy không
khí đợc tính theo công thức:

12
12
12
1
k
11


= =

+
+

, W/m
2
K (5-42)
Hệ số sử dụng

phụ thuộc dạng nhiên liệu đốt và kiểu bộ sấy không khí.
Hệ số truyền nhiệt


là hệ số tỏa nhiệt từ khói
đến vách kim loại và từ vách kim loại cho không khí;

là hệ số kể đến ảnh hởng
của tính không ổn định của sự trao đổi nhiệt, đợc xác định phụ thuộc vào tốc độ quay
của rôto nh sau:

n (vòng/phút) 0,5 1,0
1, 5

0,85 0,97 1,0

Ver. 1.0 76
Hệ số tỏa nhiệt từ khói đến vách ống của chùm ống đối lu
1

đợc xác định
theo công thức sau:

()
11đl bx


=+
, W/m
2
K (5-44)
trong đó
1

K (5-45)
với
z
C đợc hiệu chỉnh về số dãy ống theo đờng khói đi, đợc xác định tùy thuộc
vào số dãy trung bình trong từng chùm nhỏ của chùm ống đợc khảo sát nh sau:

(
)
10 0,91 0,0125 2
10 1
2z 2
2z
zC z
zC

<= +


=


, (5-45a)
và
s
C đợc hiệu chỉnh về đặc tính hình học của chùm ống, tùy thuộc vào bớc dọc và
ngang tơng đối,
2

và
1


Khi

2
2,
1
< 1,5 thì C
s
=1, (5-45c)
Khi

2
< 2,
1
> 3 thì thay
1
= 3 vào công thức (5-45b)
* Hệ số tỏa nhiệt đối lu khi dòng khói bao phủ ngang chùm ống đặt sole đợc
xác định theo công thức:

Re Pr C C
d
0,6 0,33
đl s z
''

=
, W/m
2
K (5-46)

song thì:

HH
HH
sole sole ss ss
đl
sole ss
+
=
+
, W/m
2
K (5-48)
Nếu phần ống bố trí sole (song song) > 85% toàn bộ bề mặt truyền nhiệt thì
chùm ống đó đợc coi nh là chùm ống sole (song song).
* Hệ số tỏa nhiệt khi bao phủ dọc bề mặt truyền nhiệt bởi dòng rối một pha
(khói, không khí, nớc, hơi) đợc xác định theo công thức:

0,023 Re Pr C C C
d
0,8 0,4
đl t d l

=
, W/m
2
K (5-49)
trong đó:
t
C là hệ số hiệu chỉnh về nhiệt độ phụ thuộc vào nhiệt độ của dòng khói và

, W/m
2
K (5-50)
ở đây:
A là hệ số đợc xác định bởi loại vật liệu và cách bố trí bề mặt truyền nhiệt;


là hệ số dẫn nhiệt của khói và không khí, W/mK;
tđ
d là đờng kính tơng đơng, m;

l tốc độ tính toán của khói và không khí, m/s.

b. Hệ số tỏa nhiệt do bức xạ của sản phẩm cháy
bx
Hệ số tỏa nhiệt do bức xạ của sản phẩm cháy đợc xác định theo công thức
sau

()
q
t
bx
bx
tr
=

, W/m

lb
l
b
,
o
C (5-52)
trong đó:

l
t là hiệu số nhiệt độ lớn của 2 môi trờng;

b
t là hiệu số nhiệt độ nhỏ của 2 môi trờng (nóng và đợc đốt nóng).
Khi
t
1, 7
t
l
b



thì với độ chính xác cho phép có thể tính t

nh sau:

tt
tt
2
lb

th
t và
n
g
t lần lợt là độ chênh nhiệt độ trung bình khi hai dòng cùng chiều
và ngợc chiều hoàn toàn.
Đối với sơ đồ hỗn hợp song song và hỗn hợp nối tiếp ta xác định
t nh sau:

tt
n
g
=
,
o
C (5-55)
với

là hệ số tính đổi từ sơ đồ dòng ngợc chiều sang sơ đồ phức tạp hơn. Hệ số


trong dòng cắt nhau tùy thuộc số lần cắt nhau và sự thay đổi nhiệt độ của môi trờng
nóng và môi trờng đợc đốt nóng.

5.4 Tính nhiệt thiết bị lò hơi

5.4.1 Khái niệm

Tính nhiệt của lò hơi có thể là tính chế tạo hay tính kiểm tra. Phơng pháp tính
là chung cho cả hai trờng hợp. Tính nhiệt chế tạo và tính nhiệt kiểm tra khác nhau ở

và chất lợng hơi, động lực học của thiết bị lò hơi và toàn bộ khối lò hơi tuabin. Tiếp
sau đó tính hệ thống chuẩn bị nhiên liệu và các phần tử của lò nh vòi phun chính, vòi
phun phụ,

5.4.2 Những phơng trình cơ bản

Thiết bị lò hơi bao gồm một số lợng lớn các bề mặt truyền nhiệt đặt nối tiếp
nhau dọc đờng khói đi. Sự làm việc của từng bề mặt truyền nhiệt và của toàn bộ lò
hơi đợc mô tả bằng một hệ các phơng trình:
Cân bằng vật chất, cân bằng năng
lợng, trao đổi nhiệt và trao đổi chất, trạng thái và chuyển động.

1. Phơng trình cân bằng vật chất
Phơng trình cân bằng vật chất đợc viết cả cho chất tải nhiệt và cho khói.
Đối với chất tải nhiệt ta có:

DD D
hncấ
p
xả
=+, kg/s (5-56)
Đối với khói ta có:

()
VV 1V
00
kk kk
=+ , (5-57)

2. Phơng trình cân bằng năng lợng

Ver. 1.0 81
b. Phơng trình biểu diễn sự cân bằng giữa lợng nhiệt nhận đợc từ sản phẩm
cháy cộng với lợng lọt không khí lạnh và nhiệt lợng truyền cho môi chất và toả vào
môi trờng xung quanh:

()
BI I Q Di
tt lọt
'' '

+=

, (5-59)

3. Phơng trình trạng thái
Khói là một hỗn hợp nhiều chất khí khác nhau. Quan hệ giữa thể tích khói và
nhiệt độ đợc thể hiện qua phơng trình trạng thái của khí lý tởng. Nhiệt dung riêng
của từng chất khí thành phần trong khói phụ thuộc vào nhiệt độ và cho trong các bảng.
Sự liên hệ giữa các thông số của chất tải nhiệt (phơng trình trạng thái) đợc cho dới
dạng bảng (bảng các tính chất vật lý nhiệt của nớc và lò hơi).

4. Phơng trình trao đổi nhiệt
Đợc viết riêng cho từng bề mặt truyền nhiệt. Khi tính toán ta giải phơng
trình này cùng với các phơng trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lợng viết
cho từng bề mặt truyền nhiệt.
Phơng trình cân bằng vật chất của bề mặt truyền nhiệt diễn tả sự không thay
đổi lu lợng của chất tải nhiệt và của khói theo thời gian. Đối với chất tải nhiệt thì
điều đó có nghĩa là có thể có sự thay đổi lu lợng chất tải ở đầu hay cuối bề mặt
truyền nhiệt, còn trong phạm vi bề mặt truyền nhiệt lu lợng không thay đổi
D = const (5-60a)

q ,
6
q , tính hiệu suất của lò hơi, tính lợng nhiên liệu tiêu hao thực tế và lợng nhiên
liệu tiêu hao tính toán;
- Thiết kế buồng lửa: Chọn tiết diện buồng lửa dựa vào nhiệt thế diện tích tiết
diện ngang của buồng lửa
f
q (kW/m
2
), chọn sơ bộ nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa
Ver. 1.0 82

bl
'' , sau đó xác định diện tích toàn bộ các tờng của buồng lửa
v
F (m
2
), diện tích bề
mặt hấp thu nhiệt bằng bức xạ của các dàn ống sinh hơi đặt trong buồng lửa. Việc tính
toán nhiệt buồng lửa đợc kết thúc bằng việc kiểm tra sự phù hợp của nhiệt thế thể
tích của buồng lửa
v
q (kW/m
3
), giá trị của nó không đợc vợt giá trị giới hạn cho
trong các bảng;
- Tính nhiệt pheston hoặc bộ quá nhiệt kiểu băng ống đặt ở cửa ra buồng lửa;
- Phân phối nhiệt lợng cho các bề mặt truyền nhiệt đặt sau buồng lửa;
- Thiết kế bộ quá nhiệt đối lu;
- Thiết kế bộ hâm nớc;


bl
'' và sẽ làm chính xác sau đó
theo công thức:

0,6
T
273
a
1M
Bo
a
bl
bl
''=

+


,
o
C (5-61)
Khi có sự sai khác lớn (trên 100
o
C) phải chọn giá trị khác của
bl
''

và tính lại.
Việc tính các bề mặt truyền nhiệt đối lu đặt sau buồng lửa cũng theo phơng pháp


o
C. Nếu không thỏa mãn
những yêu cầu trên phải tính lại bằng việc chọn giá trị mới của
thải

.
Ngày nay có thể ứng dụng những thành tựu của công nghệ thông tin vào việc
giải bài toán tính nhiệt của lò hơi. Muốn vậy trớc hết phải xây dựng mô hình toán
của lò hơi, lập trình để giải trên máy tính điện tử. Thời gian giải bài toán tính nhiệt lò
hơi trên máy tính điện tử khoảng dới 10 phút.