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