Tinh toan ky thuat nhiet luyen kim

NỘI DUNG TÍNH TOÁN Phản ứng cháy của nhiên liệu với chất oxy hóa phần lớn các trường hợp là oxy của không khí tạo thành sản phẩm cháy có nhiệt độ cao.. = 100% Muốn chuyển đổi thành phần

HOANG KIM CƠ (chủ biên) - ĐỒ NGÂN THANH

DƯƠNG ĐỨC HỒNG

1rfiNIrl ¬7©)2VNI

HOANG KIM CƠ (chủ biên) - ĐỖ NGÂN THANH

LỜI NÓI BẦU

Các thiết bị nhiệt nói chung trong đó cá là công nghiệp nói

riêng đã và đang giữ vai trò quan trọng trong nhiều ngành kinh tế quốc dán, quốc phòng, phục vụ đời tống, nên việc tính toán kỹ thuật nhiệt luyện kim ngày càng được ứng dụng rộng rối và có tâm

quan trọng lớn cần được nghiên cứu sâu sắc

Cho đến nay việc tính toán kỹ thuật nhiệt luyện kim còn nhiều

điểm chưa nhất quán,về mặt lý thuyết phương pháp tính toán là vấn đề đang được nghiên cứu để hoàn chỉnh

Ở nước ta hiện nay, các tài liệu “Tính toán kỹ thuật nhiệt luyện kim" hâu như không có Trước tình hình cấp thiết trên, tập

thể cán bộ khoa học của trường Đại học Bách Khoa và Viện nghiên cứu khoa học (Bộ Cơ khí luyện kim) đã biên soạn cuốn sách này làm giáo trình cho sinh viên các trường Đại học kỹ thuật, làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ giảng đạy và nghiên cứu thuộc nhiều lĩnh vực chuyên môn khác nhau có liên quan đến

kỹ thuật nhiệt luyện kim

Cuốn sách gồm 8 chương và phân công tác giả biên soạn như san :

TS.PGS Hoàng Kim Cơ (chủ biên) biên soạn các chương 2, 5,

6, 7, 8: Thủy khí động lực học và cơ học chất khí, truyền nhiệt, tính cân bằng nhiệt và xác định lượng tiêu hao nhiên liệu, tính toán kỹ thuật nhiệt các thiết bị trao đổi nhiệt, tính toản kỹ thuật nhiệt các là làm việc liên tục và gián đoạn

TS.GVC Duong Đức Hồng biên soạn chương 1 : Tỉnh toán sự

cháy nhiên liệu

KS Đả Ngân Thanh biên soạn các chương 3, 4 : Thiết bị đốt

nhiên liệu, thể xây và tính toán khung lò đơn giản

Cuốn sách chắc chẳn không tránh khỏi thiếu sót, chúng tôi

mong nhận được các ý kiến đóng sóp của bạn đọc để kịp thời

chỉnh lý bổ sung trong những lần tái bản sau

Các tac gia

Chuong 1

TÍNH TOÁN SỰ CHÁY CỦA NHIÊN LIEU

Có thể đánh giá mức độ phát triển của một đất nước dựa vào nhu cầu sử dụng nhiên liệu

Nhiên liệu là nguồn năng lượng cơ bản cho công nghiệp luyện kim

Nhiên liệu là loại vật chất mà khi cháy tỏa ra một lượng nhiệt lớn Những vật chất dùng

làm nhiên liêu phải đáp ứng những yêu cầu sau :

— l.ượng tàng trữ phải nhiều va dễ khai thác đảm bảo cho việc khai thác và sử dụng nó có lợi về mặt kinh tế,

- Sản phẩm cháy phải đễ đàng thoát khỏi vùng cháy Dạng sản phẩm cháy tốt nhất là

đang khí

— Sản phẩm cháy phải không có hại đối với môi trường xung quanh và đối với các thiết bị nhiệt mà trong đó xây ra sự cháy nhiên liệu

- Quá trình cháy phải dễ khống chế

- Lượng chất có thể cháy chứa trong một đơn vị vật chất dùng làm nhiên liệu phải nhiều Chỉ có những chất có nguồn gốc là chất hữu cơ mới đồng thời thỏa mãn những yêu cầu trên Cácbon và hyđrô là hai nguyên tố chính tạo thành chất hữu cơ khi bị ôxy hóa đều có

hiệu ứng nhiệt lớn, sản phẩm cháy ở thể khí và trong trường hợp nồng độ không lớn nó là loại

khí không có hại

Tương ứng với sự phân tích cơ bản người ta phân biệt trong nhiên liệu : thành phần hữu

cơ, thành phần cháy, thành phần khô, thành phần sử dụng mô tả theo sơ đồ dưới đây

(bảng 1.1):

Bang 1.1 Ký hiệu các thành phần nhiên liệu rắn, long

1.1 NỘI DUNG TÍNH TOÁN

Phản ứng cháy của nhiên liệu với chất oxy hóa (phần lớn các trường hợp là oxy của

không khí) tạo thành sản phẩm cháy có nhiệt độ cao Tính toán sự cháy của nhiên liệu là

khâu đầu của việc tính toán kỹ thuật nhiệt lò công nghiệp nhằm xác định :

- Lượng không khí cần thiết cho sự cháy của nhiên liệu ;

— Thành phần và lượng sản phẩm cháy tạo thành ;

CO2 + CO® + HỆ + CH{ + C;HẠ + N + + HạO? = 100%

Muốn chuyển đổi thành phần khô về thành phần ẩm dùng công thức :

hệ số chuyển đổi :

Trong céng thitc (1.3) H,0* 1a phần trăm thể tích nước chứa trong khí đốt ẩm, đó là

lượng hơi nước bão hòa ở nhiệt độ nhất định nào đó của nhiên liệu khí

a_ 100

HO = 8036 +œ °

trong đó : œ — lượng hơi nước bão hòa tính bằng gam trong 1mỶ khí khô ở các nhiệt độ khác

nhau, g/m? (bang 1.3)

Ky hiéu : m? — thé tích khí (không khí) ở điều kiện tiêu chuẩn

Bảng 1.3 Khối lượng hơi nước bão hòa (rong ïmˆ khí khỏ ở các nhiệt độ khác nhau, g/m”

Sau khi chuyển đổi xong ta có :

thành phần chung của hỗn hợp để có thành phần dùng duy nhất Trong trường hợp này trình

tự tính toán như sau :

— Tính toán thành phần sử dụng của từng loại khí ;

— Tính toán nhiệt trị thấp của từng loại khí thành phần ;

— Tính tỉ lệ của các loại khí trong hỗn hợp

Đặt hệ số tỉ lệ khí A trong hỗn hợp là X Vậy hệ số tỷ lệ khí B trong hỗn hợp là (1—X)

1.1.2 XÁC ĐỊNH NHIỆT TRỊ THẤP CỦA NHIÊN LIỆU

Nhiệt trị của nhiên liệu là lượng nhiệt tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối

lượng (đối với nhiên liệu rắn và lỏng) hay thể tích (nhiên liệu khí) Nó được tính bằng

keal/kg, kcal/m? hay kJ/kg, kJ/m?

a) Nhiét tri thấp của nhiên liệu rắn, lỏng

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu rắn, lỏng có thể xác định theo công thức của D.I Menđêléev :

Q' = 8IC® +300HẺ - 26(O4 ~ Sđ) —6(W2 +9H') „ kcal/kg (1.5) Q? = 4,187[81C? + 300H4 - 26(0% - $4) ~6(W4 + 9H4), kJ/kg

trong đó : C, H, O1, sở, WẨ# - thành phần cacbon, hiđrô, oxy, lưu huỳnh, nước trong nhiên liệu sử dụng, %,

b) Nhiệt trị thấp của nhiên liệu khí

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu khí có thể xác định theo công thức sau :

-CO, Hz, CH, 1a thanh phần sử dụng của nhiên liệu, %

1.1.3 CHON HE SỐ TIÊU HAO KHÔNG KHÍ VÀ TÍNH LƯỢNG KHÔNG KHÍ CÂN THIẾT

a) Chọn hệ số tiêu hao không khí ở

Lượng tiêu hao không khí là lượng không khí dùng để đốt cháy nhiên liệu và được tính theo thể tích Nến lượng không khí cần dùng lấy đúng theo phương trình phản ứng cháy của

từng thành phần nhiên liệu thì gọi là lượng tiêu hao không khí lý thuyết và ký hiệu là :

trong đó : 1,867 ; 5,6 lượng oxy lý thuyết cần để đốt cháy 1 kg chat tương ứng, mỶ/kg ;

- C_ H#, SỈ thành phần sử dụng của nhiên liệu, % ;

~ kọ, - phần thể tích của oxy trong không khí

Đối với không khí ko = 0,21 nên phương trình trên sẽ là :

- Đối với nhiên liệu khí :

LẺ =0,01(2,36CO + 2,38H2 +9,52CH„ + +7,14H2§-4,76O2), mÌ/m” (1.9)

Do không khí luôn có một lượng ầm nhất định cho nên khi tính lượng tiêu hao không khí

cần tính với không khí ẩm Lượng này được ký hiệu là L}, và tính theo công thức :

trong đó : Ý - lượng ẩm trong 1 mỶ không khí khô, gam/ m” kk khô.

Đề đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu, trong thực tế người ta thường lấy lượng không khí lớn hơn lượng tiêu hao lý thuyết Lượng này gọi là lượng tiêu hao không khí thực tế và được xác định theo công thức :

trong đó : œ — hệ số tiêu hao không khí

Như vậy hệ số tiêu hao không khí an là tỉ số giữa lượng không khí thực tế (L„) và lượng khong khf ly thuyét (L,) khi đốt cùng một đơn vị nhiên liệu œ = ba

ce)

Khi L¿ > Lạ thì œ> I có thể gọi là hệ số không khí dư Còn nếu œ < I thì sự cháy nhiên

liệu không hoàn toàn Hệ số œ lớn hay nhỏ tùy thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, phương

pháp đốt và kiểu thiết bị đốt (bảng 1.4)

Khi tham khảo bảng 1.4 cần chú ý một số điểm sau :

— Vẻ phương diện thao tác và kỹ thuật, buồng đốt nhiên liệu rắn cơ khí ưu việt hơn buồng

đốt thủ công nhưng cấu trúc phức tạp hơn nhiều, giá thành rất cao Nên sử dụng loại nào là

còn tùy thuộc vào điều kiện cụ thể

— Chọn thiết bị đốt nhiên liệu khí phải xuất phát từ phương pháp đốt (có ngọn lửa và

không có ngọn lửa) Môi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm (bảng 1.5)

Bảng 1.4 Hệ số tiêu hao không khí œ phụ thuộc vào dang nhiên liệu và kiểu thiết bị đốt

Dạng nhiên liệu và kiểu thiết bị đốt a

Đốt củ) trong buồng đối đứng 1.25 + 1,35

Sự nhẫn hợp giữa nhiên liệu và không khí tương | Ngược lại

nên hiệu suất sử đụng nhiên liệu cao, hệ sế tiêu hao nhiên liệu thấp

Nhiệt độ nung trước không khí không được quá | Nhiệt độ nung trước

hợp khí cháy không quá 300 + 400°C

tương đối cao

Còng suất làm việc của mỏ đốt thấp, nên cùng | Công suất làm việc của lượng tiêu hao nhiên liệu, số lượng mỏ đốt cần | mẻ đốt lớn, số lượng mỏ

không đặt hết số lượng mỏ dốt, gây khó khăn lớn cho thiết kế

5 | Khi đối yêu cẩu có áp suất cao nên cân thêm Không cần khí đốt cao áp

máy nền khí

b) Tính lượng không khí cần thiết

+ Tính lượng không khí cần thiết khí cháy hoàn toàn nhiên liệu

~ Đối với nhiên liệu rắn và lông

Giả thiết sau khi chuyển đổi sang thành phần sử dụng của nhiên liệu cá :

Cở + Hf + O! + NỈ + St ¿ A4 — W4 = 100%

Khi tính sự cháy của nhiên liệu quy ước rằng :

— Khối lượng phân tử các khí lấy theo số nguyên gần đúng, ví dụ : Hạ =2.0; N¿ = 28 vx

~ Mỗi kilôgam phân tử khí bất kỳ đều có thể tích 22,4 mÌ.:

¬ Không tính sự phân hóa nhiệt của tro

— Thể tích của không khí và sản phẩm cháy quy về điều kiện chuẩn (02C va 760 mmHg)

Từ thành phần của nhiên liệu rấn (theo phần trăm khối lượng) được chuyển thành lượng

Thanh phần sử dung Thành phần nhiên liệu | các chất trong 190 kg | Khối lượng phân tử _ Số lượng kmoi

Phản ứng cháy cacbon (C + O02 = CO )cho thấy : để cháy hoàn toàn 1 kmol cacbon cần

1 kmol O» va sinh ra 1 kmol CO, di vao san phẩm cháy

Lượng không khí lý thuyết cần thiết ở trạng thái khô và ẩm :

— Đối với nhiên liệu khí

Giả thiết đã siết thành phần khí ẩm, lượng không khí lý thuyết cần thiết ở trạng thái khô

và ẩm để đốt I m2 nhiên liệu khí :

LỆ = 0,04762 [0,5CO+0,5H +1,5H,8+2CHy +2 {m+ 4 2]» H,,—0,], m?/m? (1.15)

trong đó : CO, Hy, HạS, C„H„ - thành phần của nhiên liệu khí Ẩm, %

Lượng không khí ẩm lý thuyết và thực tế xác định theo các công thức (1 13) (1.14) + Tính lượng không khí cân thiết khi làm giàu Ô+ trong không khí

Để cường hóa quá trình cháy và các phản ứng công nghệ, thực tế đã và đang áp dụng phổ

biến phương pháp làm giàu ôxy trong không khí

Lượng không khí khô lý thuyết cần thiết được tính theo công thức

Khi đốt nhiên liệu khí :

Lượng không khí ẩm lý thuyết và thực tế tính theo công thức (1.13), (1.14)

+ Tính lượng không khi cần thiết khi đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu

Đề tính lượng không khí thực tế khi đết cháy không hoàn toàn nhiên liệu (œ < 1), cần tính lượng không khí khô lý thuyết theo công thức (1.12) (với nhiên liệu rắn, lỏng) hay (1.15) (với nhiên liệu khí) rồi tính lượng không khí ẩm và thực tế theo các công thức (1.13), (1.14)

1.1.4 TÍNH LƯỢNG SẢN PHẨM CHAY VA THANH PHAN CUA CHUNG

Để tính sản phẩm cháy chung của nhiên liệu, đầu tiên tính thể tích sản phẩm cháy cua

từng thành -phần nhiên liệu, sau đó tính thể tích toàn phần của một đơn vị nhiền liệu

a) Đối với nhiên liệu rắn, lỏng

b) Đối với nhiên liệu khí

+ Tính lượng sản phẩm cháy :

Vco, =0,01(CO + CO; + CHạ +ŠC„Hạ) , mỄ/mẺ : |

Vis,0 = 0,0 Hy + HyS + 2CHy +E 2 CmHạ +HạO+0,124 dyL2) , m2/mẺ;

+ Tính thành phần sản phẩm cháy : như công thức (1.19)

1.1.5 TINH KHOJ LUONG RIENG CUA SAN PHAM CHAY

Khối lượng riêng của sản phẩm cháy được xác định dựa vào kết quả tính sản phẩm cháy ở trén và theo công thức sau :

— N¿ạ Mn, + CO, -Mco, + H»0.My,0 +ŠO2-Mso, + O03 -Mo,

1.1.6 TÍNH NHIỆT ĐỘ CHÁY LÝ THUYẾT CỦA NHIÊN LIỆU VÀ NHIỆT ĐỘ CHÁY THỰC TẾ

a) Nhiệt độ cháy lý thuyết

Nếu tất cả lượng nhiệt sinh ra trong khi cháy nhiên liệu tập trung làm cho sản phẩm cháy

có một nhiệt độ nhất định thì nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu Nhiệt

độ này phụ thuộc vào nhiệt trị của nhiên liệu, vào nhiệt độ ban đầu của không khí và nhiên liệu đồng thời còn phụ thuộc vào hệ số không khí œ Khi nung trước nhiên liệu và không khí thì nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu tăng lên, điều này có ý nghĩa lớn đối với nhiên liệu

có nhiệt trị nhỏ Nếu tăng hệ số không khí œ quá lớn thì nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên

liệu sẽ giảm đi và thể tích sản phẩm cháy tăng lên Tăng nhiệt trị của nhiên liệu cũng làm tang

nhiệt độ cháy lý thuyết của chúng

Dùng phép nội suy xác định được nhiệt độ cháy lý thuyết theo công thức :

tị =2 —— tứ —tị) +, PC l2 — lỊ (1.22)

trong đó : t,, t; — nhiệt độ giả thiết của sản phẩm cháy chọn lớn hơn và nhỏ hơn nhiệt độ

cháy lý thuyết, thường 1; - t¡ = 100°C ;

i, i, — nhiét hàm của sản phẩm cháy ứng với nhiệt độ :, và t., kJ/m° ;

i, — nhiệt hàm tổng cộng của sản phẩm cháy nhiên liệu, k]J/n.mỶ ;

Qr Col tar + CKK 'IKK be t3

trong đó :

Qo? — nhiệt trị thấp của nhiên liệu, kl/kg ; k]/mỶ ;

V„ - thể tích sản phẩm cháy tạo thành khi đốt một đơn vị nhiên liệu, m”/kg ;

m°/mỶ ;

Cos Cy, — tỷ nhiệt của nhiên liệu và không khí ứng với nhiệt độ nung trước nhiên liệu và

không khí, kJ/mẺ ĐC ;

tnị, tục — nhiệt độ nung trước nhiên liệu và không khí, °C ;

Ly - lượng không khí thực tế để đốt một đơn vị nhiên liệu, m°/kg, m”/m

Nhiệt độ cháy thực tế phụ thuộc vào nhiệt độ cháy lý thuyết và vào điểu kiện truyền nhiệt

ở nơi đốt nhiên liệu Nếu lượng nhiệt mất do tỏa ra xung quanh càng nhỏ thì nhiệt độ cháy

thực tế của nhiên liệu càng lớn và ngược lại Nhiệt độ cháy thực tế cũng là đại lượng dùng để

đánh giá khả năng cấp nhiệt của nhiên liệu trong thực tế sản xuất

Nhiệt độ cháy thực tế của nhiên liệu bằng tích số của nhiệt độ cháy lý thuyết và hệ số tồn

thất hàm nhiệt của sản phẩm cháy (hay còn gọi là hệ số nhiệt độ) :

Lồ nấu thủy tỉnh có buồng boàn nhiệt Khí đốt, mazut 0,60 + 0.70

Đề có nhiệt độ cháy thực tế lớn cần tăng hệ số nhiệt độ nị, bằng cách giảm lượng nhiệt tỏa ra môi trường xung quanh, hoặc tăng công suất nhiệt của buồng đốt nhiên liệu

1.2 CAC VI DU TINH TOAN

1.2.1 TINH TOAN SUCHAY CỦA NHIÊN LIỆU RẮN,LỎNG

a) Tính toán sự cháy của nhiên liệu rắn

Cha than đá có thành phần : 85,32% CC ; 456% HS « 4,07% Of

4,25% SẼ 1,78% AK 3% WS

Xác định lượng không khí cần thiết, lượng và thành phần sản phẩm cháy, nhiệt độ cháy

lý thuyết khi ơ = I,0

Chuyển thành phần của nhiên liệu vẻ thành phần sử dụng dựa vào hệ số chuyển đổi

Để kiểm tra mức chính xác trong tính toán cần lập bảng cân bằng khối lượng các chất

tham gia phản ứng và các chất tạo thành với œ = I

Bảng 1.8 Kết quả tính toán

b) Tính toán sự cháy nhiên liệu lỏng :

Tính toán lượng tiêu hao không khí, lượng và thành phần sản phẩm cháy và nhiệt độ cháy của dầu mazut có thành phần như sau : 86,5% Củ ; 10,5% H ; 0/3 N? ; 030% 03 SỈ; 0,3% A" và 1,8% WỶ,

Ta sẽ tiến hành tính lượng tiêu hao không khí, lượng và thành phần sản phẩm cháy với hệ

số không khí œ = l,0 ; œ = 1,1: œ= 1,25

Các kết quả tính toán cho 100 kg dầu mazult được đưa vào bảng 1.10

Đề kiểm tra mức độ chính xác phần tính toán ta lập bảng cân bằng khối lượng các chất

tham gia phản ứng và các chất tạo thành khi œ = 1,0

iy = Qe - 4010? _ 3613.4 kJ/m°>

Giả thiết tị= 2100°C < tị < tạ = 2200°C (phụ lục IÙ xác định được i; va ip

Ở nhiệt độ tị = 21002C hàm nhiệt của sản phẩm cháy là :

Ìco, + so; = 0,147.5186,81 = 762,45

in1,0 = 0,108.4121,79 = 455,15

in, - = 0,745.3131,96 = 2333,10 i100 = 3540,70 kJ/m°*

G nhiét d6 ty = 2200°C hàm nhiệt của sản phẩm cháy là :

t Ti két qua tinh cé igigg < ig < l2aoo nên việc chon 2100°C < t, < 2200°C 1a phi hop

và tị, được tinh theo cong thifc (1 22):

tụ = 2100 + 2613 3729 — 3540,7 - 35497 109 = 2138°C D6i vdi trudng hop khi a = 1, tx, = 300°C xác định hàm nhiệt tổng của sản phẩm chay theo công thức (L 23) :

Kết quả nhận được : i 5300 < iy < i 5400 cho thấy việc chọn 2300° < t.< 2400°C là phù hợp và t„ được tính theo công thức (1 22) :

t, = 2300 + 3988 = 3912 109 = 2335°C

h 4124 - 3912 Căn cứ vào các kết quả tính toán cho thấy rằng khi tăng hệ số tiêu hao không khí sẽ làm tăng lượng sản phẩm cháy dẫn đến làm giảm hàm nhiệt của nó, vì vậy nhiệt độ cháy lý thuyết

giảm Khi tăng nhiệt độ nung nóng trước không khí sẽ làm tăng nhiệt độ cháy lý thuyết

1.2.3 TÍNH SỰCHÁY KHÍ HỖN HỢP

Cho hỗn hợp khí lò cao và khí lò cốc có nhiệt trị Q# = 6600 kJI/m, xác định lượng

không khí cần thiết, lượng và thành phần sản phẩm cháy, nhiệt độ cháy lý thuyết khi œ = !,]

và nhiệt độ nung trước không khí txy = 400°C

Thành phần khí khô cho trong bảng 1.11

Cho độ ẩm khí lò cốc Weg = 25 g/m? va dO ẩm khí lò cao đ®cao = 30g/m” theo công thức (1.2), (1.3) xác định thành phần ẩm của chúng :

Kết quả tính thành phần ẩm của khí lò cốc và khí lò cao đưa vào bảng 1 13

Để kiểm tra độ chính xác của tính toán, cần lập bảng cân bằng khối lượng với a = 1,1

1 | Nhiên liệu : 1 San phẩm cháy :

Nhiệt hàm tổng cộng của sản phẩm cháy được tính theo công thức (1.23) :

Sử dung không khí có làm giàu O (35%) dé dét khi thién nhién véi a = 1,1 X4c dinh

lượng không khí cần thiết, lượng và thành phần sản phẩm cháy, nhiệt độ cháy lý thuyết trong trường hợp này So sánh sự thay đổi các tham số khi đốt bằng không khí thường

Thành phần sử dụng của khí thiên nhiên như sau : 93,2% CH,, 0,7% C,H,, 0,6% C,H,,

0,6% C,H, 4,9% N, Tinh su chdy cia khi thién nhién véi @ = 1,1 tuong ty nhu tinh su cháy khí hỗn hợp ở muc 1.2.2., két qua tinh néu trong bang 1 15

Bảng 1 15 Luong không khí, thành phân va lượng sản phẩm cháy tạo thành khi đốt khí

thiên nhiên bằng không khí thường

Bảng 1.16 Lượng không khí, thành phần và lượng sản phẩm cháy khi đốt khí thiên

nhiên bàng không khí có làm giàu oxy

Muốn xác định được nhiệt trị thấp của khí thiên nhiên cần dựa vào bảng 1.15 và bảng

1.17 và tính theo công thức dưới đây (1.25) :

Bang 1.17 Nhiệt trị thấp, lượng oxy, lượng không khí cần thiết và lượng sản phẩm cháy

Buran CaHìa 118600 6,5 30,94 40 24,14 5,0 33,44 Xiclopentan |CsHig 138500 1,5 35,70 5,5 28,20 50 | 38,20 Pentan CsHi2 146100 8,0 38,08 5,0 30,08 6.0 | 41.08 Bendôn CạH, 146200 7,5 35,70 6.0 28,20 3,0 37,20

Theo bảng I.15 và công thức (1.23) tính nhiệt hàm sản phẩm cháy khi đốt khí thiên nhiên

bằng không khí thường với œ = I,I

ip = Qe = 35200 = 3120 kJ/m?

V, ‘1227 Gia thiét t; = 1900°C < tụ < tạ= 2000°C và theo bảng 1.15 xác định nhiệt hàm

Tir két qua tinh todn c6 ijggg < is < i2ooo nên chọn 1900”C < ty, < 2000°C là phù

hop va t, được tính theo céng thife (1.22) :

3120 - 2999,4 3325,4 - 2999,4

Theo bang 1.16 và công thức (1.23) tính được nhiệt hàm sản phẩm cháy khi đốt khí thiên

nhiên bằng không khí cá làm giàu Ô¿ với œ = 1,I :

d

Giả thiết tụ > 2500°C từ bảng 1 16 xác định nhiệt hàm sản phẩm cháy ở 2500°C ;

t = 2500°C ico, = 9.1375 6303,53 = 867

i 4,0 = 0,2705 5076,74 = 1372

in, = 0,027 401,29 = 108 ing = 0,565 3786,09 = 2185

i2soo = 4532 kJ/m”

Từ kết quả tính toán có is > i2soo nên giả thiết tụ > 2500ŸC là phù hợp

Các kết quả tính toán trên cho thấy, khi làm giàu O; sẽ làm giảm được lượng không khí

cần thiết để đốt nhiên liệu và giảm lượng sản phẩm cháy tạo thành, vì vậy làm tang nhiệt độ

cháy lý thuyết

1.2.4 TÍNH SỰ CHÁY NHIÊN LIỆU TẠO THÀNH BÁN KHÍ

Đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu tạo thành bán khí dùng để nung các vật yêu cầu ít hoặc không bị óxy hóa Mục đích tính toán phần này là xác định lượng và thành phần sản phẩm cháy khi biết trước hệ số tiêu hao không khí Giả thiết rằng khi cháy không tạo ra :

CH¿ SO; và cácbon bồ hóng, trong sản phẩm cháy chỉ gồm CO¿, CO, HạO, Ha, N;

- Xác định lượng sản phẩm cháy : Sau khi xác định lượng N2 theo còng thức (1.20), còn lại 4 tham số chưa biết được ký hiệu theo thứ tự :

Vco,=*; Vco=y; VH,o=z; Vụ, = q

Đề xác định các tham số trên cần thành lập ba phương trình cân bằng

- đốt với cacbon :

- đối với hyđrô :

- đối với Ôxy :

Lọ, — lượng ôxy từ không khí đưa vào, m” /m”

Khi các cấu tử của sản phẩm cháy ở trạng thái cân bằng của phản ứng

COz+ Hạ © CO + HạO thì hằng số cân bằng k được biểu thị theo công thức :

Bang 1.18 Trị số k phụ thuộc vào nhiệt độ khí

89,9% CHạ ; 3,1% C¿;Hạ ; 0,9% C+Hạ ; 0.4% CạH:o ; 0,34 CO; ; 5,2% Na

Lượng không khí khô và lượng không khí ẩm lý thuyết được xác định theo công

Sau khi xác định được Vn, , còn bốn tham số chưa biết được ký hiệu theo thứ tự :

Vco,=x: Vco=yY: VYnạo>2; Vn,^q

Để xác định các tham số trên cần thành lập ba phương trình cân bằng

Theo công thức (1.26) có phương trình đối với cacbon :

2.2

Thay trị số x vào phương trình (1.30) xác định được :

6,72

Hạ = Hệ 100 = 16,98%

6,72 72 N> = 3,76 = 55,95%

6,72

Tính chất vật lý của khí gồm các tham số : trọng lượng riêng (khối lượng riêng) hệ số

nhớt động học, động lực học,nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt Trọng lượng riêng của khí

hỗn hợp xác định theo công thức :

_ AIYi †32Y2 + tânYn

100 trong đó : ai,a2 a„ — phần trăm thề tích khí thành phần trong khí hỗn hợp, % ;

TqxYz Yn — trọng lượng riêng của các khí thành phần trong khí hỗn hợp,

p

trong dé: — hệ số nhớt động lực , Ns/m? hoặc kGs/mˆ;

9 - khối lượng riêng của khí, kg/mỶ

Nhiệt dung riêng của khí hỗn hợp tính theo công thức :

2.1.2 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG CỦA KHÍ (CHẤT LỎNG) Ở TRẠNG THÁI

TINH VA CHUYEN DONG

1 Khi (chat long) 6 trang thái tĩnh

Phương trình càn bằng cơ bản của thùy tính :

trong đó : dp ~ vỉ phân của áp suất thủy tĩnh trong chất khí (chất lỏng) tại điểm có

toa d6 x,y,z

X, Y, Z - hình chiếu lực khối đơn vị lên trục tọa độ (gìa tốc trọng trường), m/§” :

Với chất khí (lỏng) không bị nén (p = const) ở trạng thái tình, hướng lực khối từ trên xuống nên X =0; Y =0; Z= g Từ phương trình (2.5) xác định được sư phân bố áp từ trên xuống :

trong đó : pạ — áp suất tại mặt thoáng, N/m?

Với khí, từ phương trình (2.6) cũng có quy luật biến thiên áp suất từ dưới lên :

trong đó : p¿ - áp suất khí tại mặt chuẩn có độ cao z = Ô, N/m?:

p c— áp suất khí tại độ cao z so với mặt chuẩn, N/m?

Trong lồ công nghiệp có khí nóng điền đầy không gian buồng lò, khí đó 0g < px, nếu đuy trì áp suất pạ tại đáy lồ thì áp suất khí tại độ cao H sẽ bằng :

Vì vậy, nếu duy trì tại đáy lò bằng áp suất khí quyền, thì từ đáy lên giữa khí trong lò và

không khí bên ngoài sẽ có độ chênh áp (áp suất dư), nên khí sẽ rò qua khe hở, cửa thao tác ra môi trường ngoài

29

Khi chất lỏng ở trạng thái tĩnh được chứa trong bình thì áp lực lên đáy bình được tính theo công thức :

Lực tinh cha chất lỏng lên mặt

nghiêng của tường theo công thức

(2.10) (hình 2.2.) :

trong đó : h, ¬ độ sâu của trọng tâm

tiết điện E của tường dưới mặt thoáng

chất lỏng, m ;

Điểm đặt lực tác dụng của cân bằng

D gọi là tâm lực Vị trí của nó ở dưới

trong d6: I, - mémen quan tính của diện tích F đối với trục ngang qua trọng tam C của F ;

_œ ~ góc nghiêng của tường

2 Khí (chất lỏng) ở trạng thái chuyển động

Phân biệt hai chế độ chuyển động của khí (chất lỏng) : chuyển động rối và tầng, được

biểu thị bởi tiêu chuẩn Reynolds (Re)

_ sả

VỤ trong đó : 0ø - tốc độ trung bình của dòng theo tiết diện, m/s ;

d - đường kính thủy lực của kénh, m ;

v — hệ số nhớt động học của khí (chất lỏng) m2

Khi Re > 2300 - chế độ chảy tầng ; khi Re > 10000 - chảy rối ; còn khi

2300 < Re < 10000 — chế độ chuyển động trung gian

Đối với khí (chất lỏng) thực tế chuyển động trong kênh chủ yếu sừ dụng phương trình Becnui đặc trưng năng lượng riêng của 1m khí (chất lỏng) :

œ — hé sé Corilois dac trung ty số động năng của đòng so với động năng tính theo tốc độ

trung bình tại tiết điện xét Hệ số œ phụ thuộc vào đặc điểm phân bố tốc độ Trong tính toán

Chỉ số 1, 2 — ứng với tiết diện thứ nhất và thứ hai của dòng

3 Tổn thất năng lượng khi khí (chất lỏng) chuyển động

Trường hợp chung, tổn thất năng lượng của dòng khí (chất lỏng nhớt) không bị nén bao gồm :

~ tổn thất năng lượng do ma sắt ;

- tổn thất năng lượng do trở lực cục bộ ;

- tồn thất năng lượng do cột năng hình học ;

a Tổn thất năng lượng do ma sát của dòng đẳng nhiệt ở chế độ chảy tâng và rối :

L ~ chiều dài kênh, m;

Ðo.@¿ — Khối lượng riêng và tốc độ dong ở 0°C và p = 101,3 KN/m”;

Nếu kênh có tiết điện không phải hình tròn thì a= — chu vị ướt của tiết diện ;

F— diện tích của tiết điện) ;

Trường hợp chung, ^ phụ thuộc vào Re và độ nhám tường kẽnh ống dẫn (e =5) Tuy nhiên, trong phạm vi ở chế độ chảy tầng, À2 không phụ thuộc vào độ nhám của tường và tính theo công thức đơn giản :

 rất nhỏ, khi đó À^ không phụ thuộc vào tốc độ của dòng

e

Bang 2.1 Độ nhám tuyệt đối A của các ống chế tao từ các vật liệu khác nhau

Ghi chú : Tử số chỉ giới bạn thay đổi độ nhám A ; mẫu số - giá trị trung bình A ; thực tế khi tính khí chuyển động trong kênh có thể chọn ^ = 0,05

32

Thực tế còn có thể tính 4 & ché d6 chay r6i theo cong thite :

A

Re

Với kênh bằng ống gạch : Á = 0,175 ; n = 0,12 ; ống bằng kim loại nhan : A = 0,32 ;

n = 0,25 (với Re = 100000) ; Với kênh có độ nhám : A = 0,129 ;n = 0,12

Khi tính nhanh, trong thực tế tổn thất do ma sát các dòng chảy rối trong các kênh gạch có

thể chon A = 0,04 +0,05 ; với ống kim loại không có lớp lót trong 2 = 0,02

Nếu dòng khí chứa bụi chuyển động trong kênh thì hệ số ma sát 2` tính theo công thức :

trong đó : g - hàm lượng bụi có trong khí, kg/ kg ;

À — hệ số ma sát của kênh khí không có bụi

Các thông số @, p, ø trong công thức tính trở lực ma sát dòng khí bụi lây theo trị số trung bình và g tính theo công thức :

_—_ Gi-0,5W G+0.5(Gky + W) trong đó: G¡_ - khối lượng bụi vào ống sấy ; kg/h ;

Gx - lượng không khí bị hút vào ống sấy, kg/h ;

G_ - khối lượng chất sấy (lượng không khí, sản phẩm cháy) vào ống sấy ; kg/h;

W_ - khối lượng hơi nước bốc hơi, kg/h

— Tré lye trong ld hầm (tuynen) qua cắc thiết bị trao đổi nhiệt hoặc hoàn nhiệt khi nhiệt

độ dòng thay đổi từ tị đến tạ và tốc độ từ œ¡ đến œ¿ tính theo công thức :

- Các công thức tính trở lực qua lớp liệu

Những công thức được giới thiệu sau đây cho phép tính gần đúng với điều kiện cụ thể

Trở lực qua lớp liệu [ 24] được tính theo công thức :

trong đó:H_ - chiều cao của lớp, m ;

d, - đường kính trung bình theo phân loại cục, m

l

d, = =6 > Mm

d

trong đó : G - phần trọng lượng theo cỡ hạt ;

đ ~ đường kính cục theo cỡ hạt, tính theo đường kính trung bình của mắt sàng để cục lọt qua, m ;

trong đó : pị, - khối lượng riêng của liệu, kg/m?;

p ~khéi luong riêng theo đống liệu, kg/m’;

œ — tốc độ khí, m/s ;

d — đường kính quy dẫn của cục phối liệu, m ;

2 f

3 1-ģ`

x y H

a"

trong đó : a, n — các bệ số phụ thuộc vào đường kính trung bình của cục phối liệu

Với các cục có hình dạng không xác định, có góc nhọn, a va n duoc

®, — tốc độ khí ở điều kiện chuẩn tính theo toàn bộ tiết điện ngang lò, m/$ ;

d, — đường kính trung bình của cục liệu, m ;

H - chiều cao cột liệu, m ;

Cy - hệ số trở lực lớp liệu được xác định bằng thực nghiệm trong đó nó

phụ thuộc Re và xác định theo đồ biểu hình 2.3

Tính trở lực qua lớp liệu theo phương pháp kênh :

~ tiết điện sống trung bình của lớp, m*/m?;

địa - đường kính tương đương (d, 4 =4r), m

(các nước SNG), 9 Đá vôi ; 1Ö quặng thiêu kết trên băng tải, I1 Cốc

— Tính trở lực theo công thức của N M Giavôrôncôp

_ 1,6pu°Šv92 H

hy

trong đó: H - chiều cao lớp, m;

œ ~ tốc độ khí tương ứng toàn bộ tiết diện ngang than 1d, m/s ;

đại — đường kính thủy lực, m ;

Bảng 2.4 Độ rỗng của cục phối liệu hình cầu

Khối cầu cùng một loai kích thước :

Gan day str dung phổ biến công thức trở lực qua lớp liệu :

2

Cc

trong đó : É_ ~ hệ số trở lực chọn ở đồ biểu (hình 2 4 ) ;

œ — tốc độ quy ước của khí tính theo toàn bộ tiết điện ngang thân lò m/s ;

d„ ~ đường kính trung bình của cục phối liệu, m ;

Xác định d, theo công thức (2.234)

Hình 2.4 Hệ số trờ lực Qua lớp hệu hình cầu phụ thuộc vào Rẻau, :

1 Quặng thiêu kết có cạnh nhọn đ = 12 - 82mm ; p= 1140 - 1470 kg/m” ; 2 Quặng đá vôi á = 14- 100mm;

Khi xép 6ng thanh cdc day so le :

+ Chuyển động trong ðng có gai kim (qua một ngăn) :

T

Ty

trong đó : œạ¿ — tốc độ của khí ở O°C , m/s ;

T - nhiệt độ trung bình của khí trong ống K

m - số dãy theo hướng dòng khí chuyển động ;

n ~ số nhóm thiết bị trao đổi nhiệt theo hướng dòng chuyển động :

T - nhiệt độ trung bình của khí trong thiết bị, K ;

a _— hệ số phụ thuộc vào loại ống

Loại ống 17,5 28 Không có gai kim

4 Tổn thất năng lượng của dòng do khắc phục cột năng hình hoc

Tổn thất do cột năng hình học của dòng khí nóng (0y < Ðgx) chuyển động từ trên xuống :

trong dé : H — chiều cao của kênh, m;-

PoKK› Ðọk ~ khối lượng riêng của không khí và của khí ở điểu kiện chuẩn, kg/m? ; Txx Tx - nhiệt độ trung bình theo chiều cao H đối với không khí và khí, K ;

Ty = 273K

Đối với chất lỏng nặng có 0, >> 0g nên tổn thất do cột năng hình học khi chất lòng chuyển động từ dưới lên :

Hình 2.6 Đồ hiểu để xác định trong công thức tính trở lực của bỏ ông xếp sẽ le

2.1.3 TINH TRO LUC DUONG ONG

2.1.3.1 Tinh tré luc đường ống với chất khí (lỏng) không bị nén

1 Đường ống don giản Ống dẫn chỉ có một đường gồm nhiều ống đơn giản là các đoạn

ống có kích thước khác nhau và lưu lượng không đổi trên toàn bộ chiều dài Tính đường ống đơn giản bao gồm các bước sau : (hình 2.7a)

- Xác định cột năng H cần thiết để cung cấp lượng chất lỏng Q yêu cầu khi cho trước chiểu đài và đường kính các ống ;

~ Xác định lưu lượng Q khi cho trước H và các điểu kiện khác ;

- Xác định đường kính d của ống nếu cha trước các thông số cồn lại

40