Thiết bị nhiệt - Chương 4 pdf

Ở một số lò nung như lò tuyn-nen, lò vòng để nung gốm sứ, hoặc lò quay để nung clinker ximăng, nhiệt của khí thải từ zôn nung được sử dụng để đốt nóng và sấy vật liệu trước khi chúng đi

Chương 4

BUỒNG HỒI NHIỆT

Khí thải từ lò nung chứa một lượng nhiệt rất lớn Ở một số lò nung như lò tuyn-nen,

lò vòng để nung gốm sứ, hoặc lò quay để nung clinker ximăng, nhiệt của khí thải từ zôn nung được sử dụng để đốt nóng và sấy vật liệu trước khi chúng đi vào zôn nung Vì vậy, khí thải ra không khí có nhiệt độ thấp và hệ số sử dụng dung nhiệt của những lò này tương đối cao Ngược lại ở một số lò nung gián đoạn ( lò lửa đảo ) hay lò nấu thuỷ tinh, nhiệt của khí thải nếu không được sử dụng thì không nhung tăng tiêu tốn nhiên liệu trên một đơn vị sản phẩm ma con lang phi nhiệt

4.1 Các phương pháp sử dụng nhiệt của khí thải

Trong các lò nung hay nấu, nhiều trường hợp nhiên liệu cháy không đảm bảo nhiệt độ cháy cần thiết, cho nên không khí phải được đốt nóng sơ bộ, đôi khi đốt nóng sơ

bộ cả không khí và nhiên liệu Sử dụng nhiệt của của khí thải để đốt nóng sơ bộ không khí và nhiên liệu cho phép ta đảm bảo yêu cầu kĩ thuật của lò đồng thời tiết kiệm được nhiệt

Nếu không sử dụng nhiệt của khí thải để đốt nóng không khí, nhiên liệu thì sử dụng chúng để cung cấp cho nồi hơi Muốn vậy người ta đặt nồi hơi trên đường đi của khí tới ống khói, hơi nước sản xuất ra sẽ được dùng trong toàn bộ nhà máy hoặc bổ sung vào nồi hơi chính của nhà máy

Nếu nhiệt độ của khí thải ra tương đối thấp, có thể sử dụng chung để đun nóng nước Nước nóng rất cần thiết cho sinh hoạt và sưởi ấm trong mùa đông mà còn cần thiết cho sản xuất Ví dụ phối liệu gốm trộn bằng nước nóng sẽ tăng độ dẻo và chóng khô khi sấy Trong những biện pháp trên, thì biện pháp sử dụng nhiệt khí thải để đốt nóng không khí và nhiên liệu khí trước khi cháy trong lò là biện pháp tốt nhất, có ý nghĩa lớn nhất Vì vậy trong công nghiệp, bên cạnh lò nung thường có buồng hồi nhiệt liên tục (Recupertor) hay buồng hồi nhiệt gián đoạn (Regenerator), trong đó không khí và nhiên liệu khí được đốt nóng sơ bộ trước khi vào lò

4.2.Buồng hồi nhiệt liên tục

4.2.1 Trao đổi nhiệt trong buồng

Buồng hồi nhiệt thường làm việc theo sơ đồ hình 5-1 Khí thải từ lò nung đi theo các đường kênh dẫn 2của buồng hồi nhiệt Không khí sẽ đi nguợc chiều và đi bên ngoài của kênh dẫn 2 Trong buồng này, khí thải sẽ truyền nhiệt cho không khí Không khí sẽ

đi vào lò hoặc vào buồng đốt để cháy nhiên liệu Khí thải bị nguội dần khi đi trong buồng, cuối cùng theo kênh 3 ra ngoài theo ống khói

(hình vẽ trang sau)

Trong buồng liên tục, không khí và khí thải có thể đi cùng chiều, ngang chiều hay ngược chiều Cũng như những thiết bị trao đổi nhiệt khác, nếu đi cùng chiều thì không khí không thể đốt nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ khí thải lúc đi vào buồng Chỉ khi

đi ngược chiều thì điều đó có thể thực hiện được

(Xem sơ đồ hình 4-2)

Nhiệt độ thành ống (hay kênh) có thể lấy bằng trung bình nhiệt độ khí thải và không khí Trong trường hợp đi ngược chiều, rõ ràng nhiệt độ cực đại của thành ống sẽ cao hơn nhiều Vì vậy để xây dựng buồng hồi nhiệt cần phải dùng vật liệu bền vững Nếu làm việc cùng chiều, chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài của kênh ống sẽ khá cao

Trong điều kiện đó ống gốm (ống chịu lửa hay bằng gạch chịu lửa) sẽ không chịu nổi, vì

độ bền nhiệt của chúng thấp, ngược lại buồng hồi nhiệt kim loại có thể làm việc tốt được Tất nhiên buồng hồi nhiệt kim loại làm việc cùng chiều có thể đốt nóng không khí đến nhiệt độ thấp mà thôi

Khi khí thải và không khí đi ngang chiều do hoàn cảnh sắp đặt thiết bị, chênh lệch nhiệt độ giữa khí thải và không khí không giống nhau mà chúng phụ thuộc vào vị trí khảo sát

2

3

Hình 4-1 buồng hồi nhiệt liên tục

Hình 4-2 :sơ đồ biến thiên nhiệt độ của khí và không khí

a) cùng chiều b) ngược chiều

Đặc điểm trao đổi nhiệt trong buồng liên tục là trao đổi nhiệt qua thành ống kênh Chế độ trao đổi nhiệt trong buồng tương đối ổn định và liên tục Nếu các thông số của khói lò thay đổi không đáng kể thì nhiệt độ của không khí vào lò để cháy nhiên liệu coi như không đổi Vì vậy chế độ nhiệt trong lò nung coi như ổn định

Không khí lạnh

Nhiên liệu Khí thải

4.2.2 Cấu tạo buồng hồi nhiệt gốm

Để xây dựng buồng hồi nhiệt gốm người ta sử dụng vật liệu chịu lửa là gốm Samốt, Cacborun và cao alumin Nhiệt độ cho phép cực đại ở tường gạch Samôt là

1400oC, gạch Cacborun và cao alumin là 1500oC, nhiệt độ không khí được đốt nóng đến 800-1000oC Ở khu vực nhiệt độ không khí trên 900oC ( nhiệt độ khí trên 1300oC) phải xây dựng vật liệu Cacborun và cao alumin

Buồng gốm thường được xây bằng gạch ống dị hình có tiết diện ngang là vuông, lục lăng hay bát giác Đôi khi được xây dựng bằng gạch thông có 2 hoặc 4 lỗ thông Vì những viên gạch này có thể quá dài, cho nên người ta xây ghép chúng lại thành kênh hoặc ống dài, trong đó khí chuyển động

Những viên gạch này khi đốt nóng nó có thể giãn nở và chuyển dịch hoặc nâng đội lên

Khi làm nguội chúng co lại và chiếm vị trí ban đầu Nhưng những viên gạch bị chuyển dịch khi đốt nóng thì khi nguội chúng không quay lại vị trí như củ Tiếp tục đốt nóng lần thứ hai, khe hở đó không kín lại mà có thể mở rộng thêm Vì vậy khi xây buồng liên tục bằng gốm cần phải tránh những mạch thẳng góc Những viên gạch xây buồng này cần phải có góc định vị, tại khớp này dùng vữa đặc biẹt để xây kín Hiẹn nay người ta thường dùng vữa Samốt Bôxit có pha lẫn thuỷ tinh lỏng Vữa này đảm bảo kín, chắc khi làm viêc ở nhiệt độ cao Sơ đồ kết cấu của buồng gốm thô trong hình 4-3

Gạch ống được định vị bởi những tấm gạch dị hình để tại thành kênh thẳng đứng Với kênh ngang bề mặt riêng của buồng gốm có thể đạt 6-12 m2/m3 buồng Ở buồng gốm khí thải chuyển động ngựoc chiều với không khí, cho nên nhiệt độ cực đại của tường ống và lổ khí thải vào (không khí ra ) thông thường

Bảng 4.1 Đặc tính của gạch xây buồng hồi nhiệt liên tục

Kiểu gạch ống Các chỉ tiêu

Ống vuông Ống bát giác I Ống bát giác II

0,168 0,224

17,37 11,9

0,0144 0,0232

0,12 0,126

0,25 0,276 49,6

8,33 11,11

0.42 0,305 0.304 0,015

0,139 0,163

19,3 7,84

0,0097 0,225/0,0275

0,11 0,225/0,116

0,19 0,458 51,3

7,14 8,36

0,331 0,305 0,304 0,015

0,107 0,123

19,3 9,94 0,0438/0,02 0,205/0,119

0,19 0,436 55,1

5,9 6,87

Buồng không kín không khí lọt sang phía khói lò với một lượng 20-40% lượgn khí thải ban dầu Để giảm lượng không khí lọt sang phía khói lò cần phải giảm áp suất của không khí, muốn vậy người ta hút không khí qua buồng hồi nhiệt bằng vòi phun (injector) Kết quả không khí cũng như khói lò đều có áp suất âm và chênh lệch áp suất giữa không khí và khói lò là rất nhỏ Để tránh hở gạch khi đốt nóng, phía trên buồng người ta dùng cát để lấp khe Do đó gạch nở hay co vẫn đảm bảo kín Kích thước và đặc tính buồng gốm cho trong bảng 4-1

4.2.3 Buồng hồi nhiệt kim loại

Buồng hồi nhiệt kim loại thường chế tạo bằng thép hoặc bằng gang Với mục đích nâng cao độ chiu nhiệt của chúng, người ta sử dụng những hợp kim đặc biệt: Thép Crôm, thép Crôm-Niken, thép chứa Silic, gang chứa Crôm, Silic(Silal) Đôi khi trên bề mặt người ta phủ nhũ Al để giảm độ oxy hoá Nhiệt độ cho phép cực đại ở thành ống gang xám 4000C, gang chịu nhiệt 600-11000C Độ chiu nhiệt phụ thuộc vào hàm lượng Crôm trong hợp kim Khi chứa 1,5; 5; 10; 18; 25% Crôm ứng với nhiẹt độ cực đại cho phép là 600, 700, 750, 900, 1100 0C Thép Crôm –Niken không thể dùng được khi chứa hợp chất của S

Trong loại buồng kim loại, phổ biến nhất là các ống gang có kim loại ở một hoặc hai phía (xem hình 4-6) Các ống này được ghép lại thành từng ngăn (xem hình 4-5c) Những kim loại này làm tăng hệ số cấp nhiệt so với loại không có kim Muốn đốt nóng không khí đến 2000C, có thể sử dụng gang xám, khi đó nhiệt độ khói lò không được vượt quá 8000C Sử dụng gang chịu nhiệt có thể đốt nóng không khí đến 400-5000C Nếu khói

lò quá bẩn (nhiều bụi), hoặc nhiệt độ cao hơn có thể dùng ống không có kim phía khói

lò Đặc tính của buồng kim loại xem trong bảng (4-2) và kích thước của các ống gang và kim loại cho trong bảng (4-3)

Kiểu buồng Chỉ tiêu

Kết cấu Một hai

hoặc nhiều ống

Có kim trong hoặc hai phía

Một, hai hoặc nhiều ống

Ống nhẵn một khối

Một hoặc hai ống

Không khí đi ngang, khói lò thẳng góc

5-8 0,5-2,5

8-12 1-3

10-30 0,5-1,5

3-10 0,5-3

Khói lò thường đi ngoài ống, không khí đi trong ống khi sử dụng ống gang thì không khí và khói lò đi cùng chiều, vì ống gang tương đối dày cho nên chênh lệch nhiệt

độ lớn sẽ gây nên ứng xuất và nứt ống

Loại bằng thép thường là những ống, hiếm khi người ta dùng dạng tấm, nhiệt độ đốt nóng không khí 250-3500C nếu sử dụng ống thép chịu nhiệt 600-7000C Để ngăn ngừa các ống khỏi cong venh khi thay đổi nhiệt độ, người ta phai chế tạo thế nào để có thể dãn nở tự do được Ví dụ người ta lắp ống thành hình chữ U trong hình 4-5a

Ở loại ống khói (termoblok) không khí chuyển động trong ống thép đường kính 12-19mm, khói lò đi trong kênh hình chữ nhật và đi bên ngoài ống thép Người ta cũng

có thể cho khói lò đi trong ống kích thước lớn Các khối này có thể xếp lại thành ngăn phụ thuộc vào nhiệt độ đốt nóng không khí Loại khối nhỏ, người ta đúc liền chứ không phải hàn ống như loại lớn Làm bằng thép có thể làm việc theo nguyên tắc cùng chiều Chiều dài các ống gang kim, không có kim bên ngoài và ống thép đều tương tự loại ống 17,5 cho trong bảng 4-3 chúng khác nhau ở tiết diện ngang để không khí và khói lò chuyển động

Bảng 4.3 Đặc tính ống gang kim kiểu 17,5

Tiết diện để khói lò chiển động (m2) 0.085 0.11 0.135 0.16 0.21

Ngoài ra người ta còn dùng loại ống bọc (xem hình 4-5) ống trong ống Theo ống trong, khói lò chuyển động với tốc độ nhỏ, còn theo ống ngoài (ống bọc) không khi chuyển động với tốc độ rất lớn Nhiệt từ khói lò truyền cho không khí bằng đối lưu và bức xạ qua vỏ ống trong Không khí và khói lò có thể chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều Thông thường ta chế tạo từ lá thép dạng sóng để chúng có thể co dãn dễ

Bề mặt riêng của loại ống 12-25, loại tấm 40-50, loại ông kim 20-30 m2/m3

Khi nhiệt độ thành ống quá cao có thể dùng các biện pháp hạ nhiệt độ chúng: pha thêm không khí lạnh vào khói lò, cho không khí và khói lò đi cùng chiều, tăng tốc độ không khí Trước buồng hồi nhiệt cần có phòng lắng bụi nhằm giảm bụi bám vào buồng hồi nhiệt gây bẩn

4.2.4 Tính toán buồng hồi nhiệt liên tục

Khi tính toán buồng hồi nhiệt người ta phải xác định bề mặt đốt nóng và nhiệt độ khí thải lúc ra khỏi buồng theo các thông số của không khí vao, ra và khí thải lúc vào buồng Nếu kích thước buồng hồi nhiệt đã cho trước thì ta phải xác định nhiệt độ không khí được đốt nóng và khí thải lúc ra

Tốc độ không khí và khói lò phải được lựa chọn trên cơ sở kinh tế và kỹ thuật Nếu tốc độ không khí và khói lò nhỏ thỉ trao đổi nhiệt sẽ kém và cần bề mặt đốt nóng lớn Nếu tốc độ lớn thì tổn thất áp suất sẽ tăng lên, do đó cần quạt gió công suất cao Cho nên tốc độ khí nên lựa chon trong pham vi cho phép

Vì buồng gốm có độ kín kém, không khí sẽ lọt sang phía khói lò, cho nên chênh lệch áp suất giữa không khí và khói lò trong buồng đốt không được vượt quá 30-50N/m2

Bề mặt đốt nóng của buồng hồi nhiêt xác định theo công thức:

V2 2.2 = kk kk kk

t c

V2 2 2 - kk kk kk

t c

V1 1 1 (4-2) Lượng nhiệt truyền qua không khí xác định theo công thức:

)(

V2 2 2 - Ứng với thể tích (m3 tiêu chuẩn) tỷ nhiệt (kj/m3.độ) và nhiệt độ không khí (0C) vào và ra

V2 2.2- Thể tích (m3 tiêu chuẩn) tỷ nhiệt và nhiệt độ vào ra

ρ - Hệ số kể đến tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh (thường ρ= 0.9)

V V

11

1α λ

2 1

.α α

α

α +

W/m2.độ

Trong mọi trường hợp α là tổnghệ số cấp nhiệt bằng đối lưu và bức xạ

Hệ số truyền nhiệt của buồng gốm dao động (2,3- 8,1)w/m2.độ khi tốc độ không khí và khói lò 0,5-2m/s Hệ số truyền nhiệt của buồng kim loại cho trong bảng 5-2.Có thể tìm

hệ số cấp nhiệt của ống gang có kim trong hình 5-7 Hệ số cấp nhiệt có thể xác định bằng các công thức ở chương 3

Biểu đồ xác định hệ số cấp nhiệt của ống kim

1.Tổng từ khói lò đến ống không có kim 2.Tổng từ khói lò đến mặt ống kim (17,5)

3.Tổng từ ống kim đến không khí (17,5)

Khi tính toán buông gốm cần phải kiểm tra độ bền nhiệt của gạch Đối với gạch Samốt ta dùng công thức kiểm tra sau:

txk, txkk- Nhiệt độ khí và không khí ở điểm kiểm tra 0C

δ-Chiều dày của tường, cm

K-Hệ số truyền nhiệt ở điểm kiểm tra w/m2.độ

Khi tính toán buồng kim loại cần phải kiểm tra nhiệt độ thành ống Nếu buồng làm việc cùng chiều thì kiểm tra ở chỗ khí thải vào ra Nếu làm việc ngược chiều thì kiểm tra

K

(tk-tkk), 0C (4-10)

Nếu nhiệt độ vượt quá giới hạn cho phép thì tìm cách hạ nhiệt độ bằng cách tăng cấp nhiệt từ tường tới không khí (tăng α2) hoặc giảm cấp nhiệt từ không khí tới tường ống (giảm α1) hoặc pha không khí lạnh vào khí thải trước khi vào buồng (giảm tk) hoặc cho chúng đi cùng chiều

Khi đã biết bề mặt đốt nóng cần thiết F (m2) có thể xác định được số ống cần có

để xây lắp theo tiêu chuẩn ở bảng 4-1 và 4-3

Sức cản thủy lực của ống kim và ống khói (termobok) hkk về phía không khí xác định theo biểu đồ hoặc bằng công thức sau:

hkk= A wo2(1 + β.ttb) N/m2 (4-11)

Hệ số phụ thuộc vào chiều dài của ống

w0- Tốc độ không khí trong ống, m/s ( tính theo điều kiện chuẩn)

ttb- Nhiệt độ trung bình của không khí trong ống,0C

β- Hệ số 1/273

Nếu hai ống nối nhau thì sức cản thủy lực sẽ tăng gấp đôi Cho nên xếp ống thành bao nhiêu ngăn, sức cản sẽ tăng bấy nhiêu lần Nếu kể cả sức cản của ống nối ngăn để không khí đi từ ngăn nọ sang ngăn kia thì tổng sức cản sẽ tăng lên 50 đến 100% sức cản của ống

Về phía khói lò, sức cản xác định theo công thức:

hk= 6.(n + m)W02.T.10-4 N/m2 (4-12)

Nếu mặt ngoài của ống không có kim thì:

Hk = 1,57.(n + m) W02.T.10-4 N/m2 (4-13)

Trong đó:

n- Số ống theo chiều chuyển động của khói lò

m- Số ngăn theo chiều chuyển động của khói lò

T- Nhiệt độ trung bình của khói lò,0K

W0-Tốc độ khia ở điều kiện chuẩn, m/s

4.3.Buồng thu hồi nhiệt gián đoạn

4.3.1Trao đổi nhiệt trong buồng

Để tìm hiểu nguyên tắc làm việc của buồng thu hồi nhiệt gián đoạn, chúng ta hãy khảo sát sơ đồ làm việc của lò bể nấu thuỷ tinh cho trong hình 4-8 khí thải từ bể nấu 1 đi vào buồng không khí 2 và đốt nóng nhiên liệu khí 3, sau đó theo ống 4 và 5 qua van đối chiếu 6 và 7 cuối cùng theo ống 10 đi ra ống khói Khi khí đi qua buồng 2 và 3 khí thải

sẽ cung cấp nhiệt cho gạch đệm ở trong buồng (xem hình 4-8) gạch đệm được đốt nóng đến nhiệt độ khá cao, và đến lúc nào đó thì người ta dừng lại và đổi chiều Không khí sẽ qua ống 9 van đổi chiều 7 qua đường ống 11 vào buồng 13 và đi vào lò 1 để đốt cháy nhiên liệu Nhiên liệu khí đi vào bằng ống 8 qua van đổi chiều 6 theo ống 12 vào buồng

14 và vào lò 1

Khi đổi chiều, nhiên liệu khí đi theo ống 9 qua đổi chiều 7 theo ống 5 vào buồng

3 và cuối cùng vào lò không khí qua ống 8 và van đổi chiều 6, theo ống 4 vào buồng 2 rồi vào lò nung 1 Khi qua buồng 2 và 3 không khí và nhiên liệu khí được đốt nóng lên, gạch đệm trong buồng nguội đi Do đó ngọn lửa trong lò 1 sẽ có nhiệt độ cao

Khí thải sẽ đi tương tự qua buồng 13, 14 và van đổi chiều 6, 7 và theo đường ống 10

ra ngoài ống khói Khi ra khỏi buồng 13, 14 thì gạch đệm trong buồng lại được đốt nóng lên Sau một đoạn thời gian nhất định người ta lại đổi chiều và đường đi của khí với không khí sẽ lặp như cũ

Xét quá trình làm việc của buồng như vậy ta thấy rõ ràng là: buồng không làm việc liên tục mà làm việc gioán đoạn tuần hoàn, chế độ nhiệt độ trong buồng không ổn định mà thay đổi theo thời gian và chu trình, trao đổi nhiệt ở đây khác hoàn toàn với buồng liên tục mà là trao đổi nhiệt bằng đệm