การถายเทความรอนทเกยวของกบหมอน า (Heat Transfer in Boiler)

บทน า

การถายเทความรอน ม 3 แบบ คอ การน าความรอน การพาความรอน การแผรงสความรอน

1. การน าความรอน (conduction) เปนการถายเทความรอนภายในวตถจากอะตอมหนงไปยงอก

อะตอม ความรอนถายเทจากบรเวณทมอณหภมสงไปสบรเวณทมอณหภมต า โดยอตราการ

ถายเทความรอนแบบนเปนไปตาม กฎการน าความรอนของฟเรยร (Fourier’s law of heat

conduction) ซงเปนไปตามสมการ ท (1)

(1)

2. การพาความรอน (convection) เปนการถายเทความรอนเมอของไหลไปสมผสกบผวของวตถทม

อณหภมแตกตางจากของไหล จงท าใหเกดการแลกเปลยนความรอนขน โดยอตราการถายเท

ความรอนแบบนเปนไปตาม กฎการเยนตวของนวตน (Newtons’s law of cooling) ซงเปนไป

ตามสมการ ท (2)

(2)

3. การแผรงสความรอน (radiation) เปนการถายเทความรอนโดยไมอาศยตวกลาง พลงงานความ

รอนจากการแผรงสจะเคลอนทไปในรปของคลนแมเหลกไฟฟา โดยอตราการถายเทความรอน

แบบนเปนไปตาม กฎของสตฟาน-โบลทซมนน (Stefan-Boltzmann law) ซงเปนไปตามสมการ

ท (3)

(3)

ความรเกยวกบการถายเทความรอนทเกยวของกบหมอน า

1. หลกการค านวณพนทส าหรบแลกเปลยนความรอน

พลงงานความรอนทถายเทในอปกรณแลกเปลยนความรอน เปนไปตามสมการ ดานลางน

และ

เมอ

คอ พนทผว มหนวยเปน

คอ อตราการไหลเชงมวลของของไหล มหนวยเปน

คอ การเปลยนแปลงเอทาลปของของไหล (h และ c ส าหรบของไหลรอนและเยน)

คอ คา log-mean temperature difference มหนวยเปน

คอ overall heat transfer coefficient มหนวยเปน

ส าหรบคา overall heat transfer coefficient, U ในกรณทผวแลกเปลยนความรอน มครบ นน

สามารถค านวณคา U ไดดงน

เมอ

= surface area of finned tube, ft2/ft

= tube inner surface area = , ft2/ft

= average wall surface are = , ft2/ft

= thermal conductivity of the tube wall, Btu/ft h oF

= tube outer and inner diameter, in

= fouling factors inside and outside the tubes, ft2 h oF/Btu

= tube-side and gas-side coefficients, Btu/ft2hoF

= fin effectiveness

ส าหรบทอเปลอย (ไมมครบ) ทใชแลกเปลยนความรอน ดงนน จะสามารถ

ค านวณคา ไดดงน

เมอ คอ outside coefficient

ส าหรบ Water Tube Boilers, Economizer, และ Superheaters

ส าหรบ Fire Tube Boilers, Gas Coolers, และ Heat Exchangers ทมกาซไหลภายในทอ สวนของเหลวหรอ

ไอน าไหลนอกทอ

ส าหรบเครองแลกเปลยนความรอนแบบ gas to gas นน

โดยท เปนไปตามดานลางน

โดยท นนมคาเทากบ 1 ส าหรบ boiler economizers และ superheaters และ มคาระหวาง 0.8 ถง 0.9

เมอเปน tubular air heaters

2. การค านวณหาคา heat transfer coefficient ดานในของทอ

คา heat transfer coefficient ดานในของทอสามารถค านวณไดดงน

เมอ

= flow in the tube, lb/h

= inner diameter, in

= viscosity, lb/ft h

= specific heat, Btu/lb oF

= thermal conductivity, Btu/ft h oF

ตารางท 1 คา C ส าหรบ อากาศและกาซไอเสย

Temperature (oF) C

200 0.162

400 0.172

600 0.180

800 0.187

1000 0.194

1200 0.205

ตารางท 2 คา C ส าหรบ ไอน า

3. หลกการค านวณคา heat transfer coefficient ดานนอกทอ ส าหรบ boilers, air heater,

economizers และ superheaters

คา heat transfer coefficient ดานนอกทอ ค านวณไดดงน

เมอ = convective heat transfer coefficient

= nonluminous heat transfer coefficient

ส าหรบ ทอเปลอย (bare tube)

เมอ

= gas mass velocity, lb/ft2 h

= tube outer diameter, in

= gas viscosity, lb/ft h

= gas thermal conductivity, Btu/ft h oF

= gas specific heat, Btu/lb oF

และเมอ

เมอ

= number of tubes wide

= transverse pitch, in

= tube length, ft

= gas flow, lb/h

ตารางท 3 คา F ส าหรบ อากาศและกาซไอเสย

Temperature (oF) F

200 0.094

400 0.103

600 0.110

800 0.116

1000 0.123

1200 0.130

นอกจากน คา สามารถค านวณไดจาก Grimson’s correlation

ตารางท 4 คา Grimson’s ส าหรบ B และ N

ส าหรบคา nonluminous heat transfer coefficient นนค านวณไดดงน

= Stefan-Boltzmann constant = 0.173 x 10-8

= emissivity of gases at Tg

= absolute temperature of gas, oR

= absolute temperature of tube surface, oR

โดยท

เมอ มหนวยเปน K

L คอ beam length มหนวยเปน เมตร

คอ partial pressure of carbon dioxide and water vapor มหนวยเปน atm

โดยท L ส าหรบกลมทอ (Tube bundle) สามารถค านวณไดจาก

เมอ คอ transverse pitch และ longitudinal pitch

4. หลกการค านวณอตราการถายเทความรอนในหองเผาไหมของหมอน า (boiler furnace)

อตราการถายเทความรอนในหองเผาไหมของหมอน า (boiler furnace) ค านวณไดดงน

เมอ คอ characterizes flame-filling volumes

for nonluminous flames

for luminous sooty flames of liquid fuels

for luminous and semiluminous flames of solid fuels

beam length in m

attenuation factor ขนอยกบชนดของเชอเพลง และปรมาณของขเถาและความเขมขนของ

ขเถา ส าหรบ nonluminious flame

ส าหรบ semiluminious flame จะมการพจารณาถงขนาดของขเถา และความเขมขน ดงนน

เมอ

คอ partial pressure of carbon dioxide and water vapor มหนวยเปน atm

ส าหรบ luminious oil or gas flame

5. หลกการค านวณหาขนาดของหมอน าแบบ water tube

ตวอยางการค านวณแสดงดานลางน

200,000 lb/h of clean flue gas from an incinerator must be cooled from 1100 oF to 600 oF in a bare

tube evaporator. Steam pressure = 250 psig saturated. Feedwater temperature = 230 oF.

Blowdown = 5%. Fouling factors on steam- and gas-side = 0.001 ft2hoF/Btu. Gas analysis

(vol%): CO2 = 7, H2O = 12, N2 = 75, O2 = 6. Let heat loss from casing = 1%.

Solution: Use 2x1.7773 1in carbon steel tubes; number wide = 24; length = 10 ft; tube spacing =

4 in. square.

Average gas temperature = 0.5 x (1100+600) =850 oF

Steam temperature inside tube = 406 oF. Assume tube wall temperature = 410 oF (this should be

checked again later)

Film temperature = 0.5 x (850+410) =630 oF

Gas properties at film temperature are Cp = 0.2741, = 0.0693, k = 0.0255

Cp at average gas temperature = 0.282

Duty Q = 200,000 x 0.99 x 0.282 x (1100-600) = 27.92 MM Btu/h

Steam enthalpy change = (1201.7-199)+0.05x (381.4-199) = 1011.82 Btu/lb

Heance

Using Grimson’s correlation

The convective heat transfer coefficient

Let compute the nonluminous heat transfer coefficient hN. Partial pressures of CO2 and H2O are

0.06 and 0.12 respectively;

beam length

Average gas temperature = 850 oF = 727 K