Nghiên cứu vai trò truyền nhiệt của tường lò quay xi măng

LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU Hiện nay để đánh giá vai trò truyền nhiệt của tường lò quay và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt đó nhằm đưa ra biện pháp làm tăng hiệu suất lò, giảm gi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHẠM THỊ HẠNH

TÒM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VAI TRÒ TRUYỀN NHIỆT CỦA TƯỜNG LÒ

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn thạc sỹ " Nghiên cứu vai trò truyền nhiệt của tường lò quay xi

măng ", được hoàn thành bởi tác giả Phạm Thị Hạnh- học viên lớp Cao học Kỹ

thuật nhiệt, khoá 2009 - 2011, Viện Nhiệt – Lạnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, kết quả nêu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà nội, ngày 30 tháng 09 năm 2011

Tác giả luận văn

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin được bày tỏ sự cảm ơn chân thành tới viện đào tạo sau đại học,viện

Nhiệt Lạnh trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và thầy giáo GS.TSKH Đặng

Quốc Phú đã giúp đỡ tôi trong việc lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp, sự hướng

dẫn tận tình, ủng hộ thường xuyên cũng như sự động viên của thầy trong quá trình thực hiện luận văn là cơ sở để tôi hoàn thành bản luận văn này Bên cạnh đó thầy cũng đưa ra những đánh giá tổng kết sâu sắc và gợi mở hướng phát triển của đề tài nghiên cứu trong tương lai

Tôi cũng chân thành gửi lời cảm ơn tới :

Ban giám hiệu, lãnh đạo khoa Cơ khí trường đại học Sao Đỏ đã tạo điều kiện về thời gian cho tôi được tham gia và hoàn thành khóa học tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Ban Giám đốc công ty cùng toàn thể cán bộ công nhân viên tại phân xưởng

lò II công ty xi măng Hoàng Thạch đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực tập tại công ty

Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt tới những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp – với sự quan tâm, động viên và ủng hộ nhiệt tình của

họ đối với tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài này

Trong quá trình thực hiện luận văn không thể tránh khỏi những sai sót, tác giả rất mong những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp

Hải Dương tháng 09 năm 2011

Phạm Thị Hạnh

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU- CÁC CHỮ VIẾT TĂT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 9

MỞ ĐẦU 11

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 11

2 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU 11

3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 12

Chương I : Tổng quan về quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng 12

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12

CHUƠNG I: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG LÒ QUAY XI MĂNG 13

1.1 CÁC QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG LÒ QUAY XI MĂNG 13

1.1.1 Trao đổi nhiệt bằng bức xạ 13

1.1.2 Trao đổi nhiệt bằng đối lưu 18

1.1.3 Trao đổi nhiệt khi vật liệu tiếp xúc với tường lò 21

1.1.4 Các phương pháp tính sự truyền nhiệt trong lò quay xi măng 25

1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNGNHIỆT TRONG LÒ QUAY 29

1.2.1 Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt vật liệu tiếp xúc với khia 29

1.2.2 Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt tường tiếp xúc với khí 32

1.2.3 Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt tường tiếp xúc với vật liệu 36

1.2.4 Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát cho tường lò 38

1.2.5 Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt vật liệu tiếp xúc với tường 39

1.2.6 Phương trình cân bằng nhiệt cho vật liệu 41

1.2.7 Phương trình cân bằng năng lượng cho khí 42

1.2.8 Phương trình của quá trình truyền nhiệt bên trong 44

1.3 HỆ PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG 47

CHƯƠNG II: VAI TRÒ TRUYỀN NHIỆT CỦA TƯỜNG LÒ QUAY XI MĂNG 51

2.1 Truyền nhiệt khi nhiệt độ bề mặt thay đổi tuần hoàn 51

2.2 Tổng quan về nhà máy xi măng Hoàng Thạch 54

2.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển của công ty 54

2.2.2 Tổng quan về hề thống lò quay tai phân xưởng II- công ty xi măng Hoàng Thạch 57

2.2.3 Khảo sát lò quay II tại công ty xi măng Hoang Thạch 57

CHƯƠNG III: THIẾT LẬP MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT HIỆU QUẢ TRONG LÒ QUAY XI MĂNG 59

3.1 PHƯƠNG PHÁP TÍNH VÀ CÁC GIẢ THIẾT 59

3.1.1 Phân vùng và kích thước vùng tính toán 59

3.1.2 Tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh 61

3.1.3 Tính toán lượng nhiệt truyền bằng đối lưu 63

3.1.4 Tính toán lượng nhiệt truyền bằng dẫn nhiệt 64

3.1.5 Tính toán lượng nhiệt truyền bằng bức xạ 67

3.2 Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng 70

3.2.1 Mô hình xác định nhiệt trở hiệu quả 70

3.2.2 Tính toán nhiệt trở hiệu quả 75

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới vai trò truyền nhiệt của tường lò quay 86

KẾT LUẬN- KHUYẾN NGHỊ 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90   

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU- CÁC CHỮ VIẾT TĂT

C KJ/kg.độ Nhiệt dung riêng khối lượng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Phân vùng tính toán theo chiều dài lò 59 

Bảng 3.2 Tổn thất nhiệt theo kích thước lò 62 

Bảng 3.3: Tính chất vật lý của vật liệu và lớp lót 65 

Bảng 3.4 Độ đen của vật liệu và tường lò 69 

Bảng 3.6 Thông số tính toán cho lò quay xi măng II-Hoàng Thạch 76 

Bảng 3.7 Kết quả tính toán các hệ số bức xạ hiệu dụng tại các vùng 81 

Bảng 3.8 Kết quả tính toán các nhiệt trở hiệu quả của 3 vùng tương ứng trong lò quay xi măng 82   

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 : Mô hình trao đổi nhiệt cho bề mặt vật liệu tiếp xúc với khí 30

Hình 1.2 : Mô hình trao đổi nhiệt cho bề mặt tường tiếp xúc với khí 33

Hình1.3 : Mô hình trao đổi nhiệt cho bề mặt tường tiếp xúc với vật liệu 36

Hình 1.4 : Mô hình trao đổi nhiệt cho bề mặt tường lò 38

Hình 1.5:Mô hình trao đổi nhiệt cho bề mặt vật liệu tiếp xúc với tường lò 40 Hình 1.6 Mô hình cân bằng nhiệt cho vật liệu 41

Hình 1.7 Mô hình cân bằng năng lượng cho khí 43

Hình 1.9 : Mô hình quá trình truyền nhiệt trong lò quay 48

Hình 1.10: Sơ đồ điện biểu diễn tổng quát cơ chế truyền nhiệt trong lò quay xi măng 48

Hình 2.1 : Hệ thống lò quay 55

Hình 2.2 Nhiệt độ nhỏ nhất dọc theo chiều dài lò 58

Hình 2.3 Nhiệt độ lớn nhất dọc theo chiều dài lò 58

Bảng 3.5 Độ đen của vật liệu và tường lò 69

Hình 3.1 Sơ đồ mô hình điện mô tả quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng 70

Hình 3.2 sơ đồ mô hình điện mô tả quá trình tổng hợp các điện trở mắc song song 71

Hình 3.3 Sơ đồ điện sau khi tổng hợp các điệm trở mắc nối tiếp 72

Hình 3.4 Sơ đồ điện tương đương khi biến đổi sao thành tam giác 72

Hình 3.5 Sơ đồ điện tương đương khi tổng hợp các điện trở mắc nối tiếp nhau 73

Hình 3.6 Sơ đồ điện tương đương sau khi biến đổi mắc nối tam giác thành nối sao 73

Hình 3.7 Sơ đồ điện tương đương sau khi tổng hợp hai điện trở song

songR SGW• ≅(R SG• //R SW• ) 74

Hình 3.8 Sơ đồ điện tương đương khi biến đổi các điện trở (R G• , •SGW, •UG) nối tam giác thành nối sao 74

Hình 3.9 Sơ đồ mô tả điện trở hiệu quả của quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng 75

Bảng 3.6 Thông số tính toán cho lò quay xi măng II-Hoàng Thạch 76

Bảng 3.7 Kết quả tính toán các hệ số bức xạ hiệu dụng tại các vùng 81

Bảng 3.8 Kết quả tính toán các nhiệt trở hiệu quả của 3 vùng tương ứng trong lò quay xi măng 82

Hình 3.11Đồ thị biểu thị giá trị nhiệt trở hiệu quả của vùng 2 83

Hình 3.10 Đồ thị biểu thị giá trị nhiệt trở hiệu quả của vùng 1 83

Hình 3.12 Đồ thị biểu thị giá trị nhiệt trở hiệu quả của vùng 3 84

Hình 3.4 Đồ thị thể hiện trị số ReffGS tại 3 vùng 85

Hình 3.5 Đồ thị thể hiện trị số ReffGS, RεWS,G , Rλ,α,εWS,G tại 2 vùng 86 

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Đất nước Việt Nam của chúng ta đang trong thời kỳ công nghiệp hoá và hiện đại hoá nên vấn đề về nguồn năng lượng là một trong những vấn đề cấp thiết trong tất cả các ngành nghề mà đặc biệt hơn cả là công nghệ sản xuất xi măng Ngoài những yếu tố về công nghệ thì thiết bị đóng vai trò rất quan trọng trong việc sản xuất ra 1đơn vị khối lượng xi măng/ một đơn vị nhiên liệu là ít nhất Hiệu quả của quá trình sản xuất ấy được quyết định bởi một trong các yếu tố đó là lò quay hay nói cách khác đó là các quá trình truyền nhiệt trong lò quay

Đã có rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước có các công trình nổi tiếng khi nghiên cứu về lò quay như: Xây dựng mô hình toán học xác định nhiệt độ tối ưu cho lò quay xi măng, thay đổi các yêu tố công nghệ để nâng cao hiệu suất lò quay…Tường lò ngoài nhiệm vụ cô lập quá trình cháy trong lò với môi trường bên ngoài thì còn nhiệm vụ rất quan trọng đó là bề mặt truyền nhiệt cho vật liệu.Tuy nhiên việc xác định vai trò truyền nhiệt của tường lò quay vẫn còn ít được đề cập

đến Từ tính cấp thiết đó nên tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu vai trò truyền nhiệt

của tường lò quay xi măng”

2 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU

Hiện nay để đánh giá vai trò truyền nhiệt của tường lò quay và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt đó nhằm đưa ra biện pháp làm tăng hiệu suất lò, giảm giá thành sản phẩm và tiết kiệm nguồn nhiên liệu, với lý do đó đã có một số tác giả đi nghiên cứu cân bằng nhiệt bên trong lò để xác đinh nhiệt độ cuả vật liệu, khí, tường nhưng chưa đi sâu vào đánh giă, tìm ra nhiệt lượng trao đổi chủ yếu trong lò Việc đưa ra các đánh giá về vai trò của các dòng nhiệt và vai trò của tường

lò giúp chúng ta dễ dàng xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhiệt Từ đó có định hướng tăng hoặc giảm các yếu tố ảnh hướng sao cho hiệu quả truyên nhiệt từ khí cho vật liệu là lớn nhất

3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Với thời gian có hạn, luận văn tập trung vào xây dựng mô hình sơ đồ nhiệt điện trở thể hiện các quá trình trao đổi nhiệt trong lò quay xi măng, từ đó tìm được nhiệt trở hiệu quả của quá trình truyền nhiệt trong lò quay và tìm ra nhiệt trở hiệu quả lớn nhất làm cơ sở để xét các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt trở hiệu quả lớn nhất cũng như tác động đến dòng nhiệt trao đổi lớn nhất khi lò hoạt động

Qúa trình trao đổi nhiệt trong lò quay khác so với các lò không quay là ở chỗ

bề mặt nhận nhiệt được đổi mới liên tục, tường lò khi thì tiếp xúc với dòng khí, nhận được nhiệt sau đó lại tiếp xúc với vật liệu và truyền nhiệt cho nó, quá trình đó luôn xảy ra khi lò quay Còn các hạt vật liệu cũng luôn chuyển động khi thì nằm trên bề mặ lớp liệu, khi thì lưu trú trong lòng lớp nên bề mặt nhận nhiệt của lớp vật liệu cũng không cố định và có độ nhám phụ thuộc vào cỡ hạt vật liệu Do đó quá trình trao đổi nhiệt giữa các phần tử vậ chất bên trong lò quay là rất phức tạp nên trong luận văn này không nghiên cứu quá trình cân bằng nhiệt trong lò cũng như sự phân bố nhiệt độ trong lò mà đi sâu vào nghiên cứu vai trò truyền nhiệt của tường lò quay trong quá trình lò hoạt động để thấy ảnh hưởng của tốc độ quay có vai trò như thế nào trong quá trình truyền nhiệt đó

Nội dung của luận văn được trình bày thành các chương như sau:

Chương I : Tổng quan về quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng

Chương II : Vai trò truyền nhiệt của tường lò quay xi măng

Chương III:Thiết lập mô hình các định hệ số truyền nhiệt hiệu quả trong lò quay xi măng

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Tìm hiểu lý thuyết, khảo sát thực tế phân tích phân tích các số liệu đo thực tế

để làm cơ sở tính toán và xác định được vai trò truyền nhiệt của tường lò quay xi măng

CHUƠNG I: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG LÒ

QUAY XI MĂNG 1.1 CÁC QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG LÒ QUAY XI MĂNG

Lò công nghiệp nói chung và lò quay nói riêng có chức năng cơ bản là thực hiện quá trình gia nhiệt cho vật liệu theo đúng yêu cầu công nghệ Trong lò quay, lượng nhiệt giải phóng do đốt cháy nhiên liệu được truyền tới vật liệu nhờ:

- Bức xạ của ngọn lửa và khí lò

- Đối lưu giữa dòng khói lò và vật liệu

- Bức xạ của tường lò

- Truyền nhiệt khi vật liệu tiếp xúc với tường lò

Lượng nhiệt truyền cho vật liệu được biểu diễn bằng biểu thức:

0 ,

1.1.1 Trao đổi nhiệt bằng bức xạ

Cơ chế truyền nhiệt trong lò quay cực kỳ phức tạp, các quá trình bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt đồng thời xảy ra, đặc biệt quá trình trao đổi nhiệt liên hệ mật thiết với quá trình cháy của nhiên liệu và quá trình biến đổi lý hoá của vật liệu

Trao đổi nhiệt bằng bức xạ đóng vai trò quan trọng nhất trong các quá trình trao đổi nhiệt Trong lò quay, do nhiệt độ cao, mà cường độ quá trình trao đổi nhiệt bức xạ phụ thuộc rất đáng kể vào mức nhiệt độ của quá trình, nên so với lượng nhiệt trao đổi bằng đối lưu và dẫn nhiệt, thực tế theo A.C.Hebckuu [1] nó thường chiếm khoảng 70÷ 75 % tổng lượng nhiệt mà vật liệu nhận được trong lò quay

Hay là:

75 , 0 70

, 0

Q

Q Q

tăng lên, lớn hơn nhiệt độ vật liệu, nên cũng xảy ra sự trao đổi nhiệt bằng bức xạ giữa tường lò với vật liệu

Bức xạ của khí trong lò quay là bức xạ hỗn hợp cuả khí có chứa bụi, muội than Khả năng hấp thụ tia bức xạ của dòng khí được biểu hiện bằng hệ số làm yếu tia K, phụ thuộc vào các thành phần các chất khí trong hỗn hợp, nồng độ bụi và kích thước hạt bụi, loại bụi

Trong vùng cháy, bức xạ của khói lò được thay bằng bức xạ của ngọn lửa, ngọn lửa trong lò quay chủ yếu là ngọn lửa chiếu sáng, ngay cả khi dùng nhiên liệu khí vì không gian lò lớn, hàm lượng bụi trong lò cao Xác định trao đổi nhiệt bức xạ giữa ngọn lửa và các bề mặt nhận nhiệt nói chung cũng như trong lò quay nói riêng

là bài toán phức tạp vì cấu trúc ngọn lửa không đồng nhất, nhiệt độ không đồng đều, quá trình trao đổi nhiệt phụ thuộc vào hình dáng lò và ngọn lửa, phụ thuộc vào loại

nhiên liệu và chế độ làm việc của lò Bức xạ cơ bản trong ngọn lửa than bụi là bức

xạ rắn do các cốc nóng sang phát ra

Quá trình trao đổi nhiệt bằng bức xạ giữa dòng khí, tường lò và vật liệu không những phụ thuộc vào nhiệt độ của quá trình mà còn phụ thuộc vào độ đen của các bề mặt trao đổi nhiệt Độ đen của lớp lót phụ thuộc vào loại vật liệu chịu lửa gắn trong lò Nói chung độ đen của lớp lót lò quay có thể xem là không phụ thuộc vào nhiệt độ và phụ thuộc vào loại vật liệu chịu lửa được sử dụng Ở vùng có nhiệt

độ cao do có một lớp vật liệu nóng chảy bám trên bề mặt lớp lót nên độ đen của lớp vật liệu này chính là độ đen của lớp vật liệu rắn ( lớp cô la) Độ đen của vật liệu gia nhiệt chịu ảnh hưởng của sự thay đổi các tính chất vật lý, hóa học của nó, thành phần cỡ hạt và nhiệt độ trong quas trình gia nhiệt Độ đen của vật liệu trong các vùng sấy, nung sơ bộ là khoảng 0.7, còn tại vùng cháy của nhiên liệu, do nhiệt độ cao nên có một lớp vật liệu mỏng nóng chảy bám vào tường lò tạo thành một lớp bảo vệ tường lò, độ đen của vật liệu và tường lò tại đây đều có giá trị 0.88 ([2])

0.1mm và giảm khi tăng nhiệt độ

Độ đen của dòng khí thay đổi dọc theo chiều dài lò trong vùng cháy, độ đen của ngọn lửa phụ thuộc vào loại nhiên liệu, cấu tạo vòi phun, tốc độ phun, tỷ lệ và nhiệt độ khí đợt 2…nói một cách tổng quát là nó phụ thuộc vào quá trình cháy và trao đổi nhiệt xảy ra đồng thời, còn ở các vùng khác độ đen của khói được quyết

thoát ra từ vật liệu trong quá trình gia nhiệt và nhiệt độ khói lò

dòng khí trong vùng cháy khá lớn Nhưng việc tăng độ đen của dòng khí do cháy không hoàn toàn nhiên liệu khi cung cấp nhiệt không làm giảm nhiệt độ cháy Theo

lửa và đường kính lò ( 〉 0 5

D

d n

giảm nhiệt độ cháy Việc tăng nhiệt độ cháy để bù trừ độ đen nhỏ của dòng khí làm rút ngắn và tập trung ngọn lửa Nhưng khi ngọn lửa sáng và dài sẽ xảy ra phân bố

độ của vật liệu Tỷ số

n D

dφ

, vị trí và hướng vòi phun, các điều kiện hỗn hợp của dòng từ vòi phun tới dòng khí chung, xác định kích thước và nhiệt độ của lớp khí giữa ngọn lưả và vật liệu, chúng ảnh hưởng quan trọng đến sự truyền nhiệt nói chung, đặc biệt đối với trao đổi nhiệt bức xạ nói riêng

Trong lò quay xi măng, quá trình trao đổi nhiệt bức xạ và cháy liên hệ chặt chẽ với quá trình chuyển động của vật liệu nung Chu trình luân chuyển của các hạt vật liệu trong lò quay bao gồm: chu kỳ rơi đến bề mặt hở của lớp vật liệu và chu kỳ

với thời gian nó lưu trú trong lòng lớp Khi tiếp xúc với dòng khí, hạt vật liệu được gia nhiệt để rồi lại truyền cho các hạt xung quanh khi nó lưu trú trong lòng lớp Theo công trình nghiên cứu của Folliot [3], trong vùng cháy của nhiên liệu khi vật

này chứng tỏ lượng nhiệt vật liệu nhận được chủ yếu bằng bức xạ từ dòng khí và tường lò trong thời gian rơi và lưu lại trên bề mặt vật liệu

liệu cũng có đặc tính bề mặt Điều đó có nghĩa là, bức xạ nhiệt từ dòng khí và lớp lót chỉ nung được lớp vật liệu trên bề mặt, trên một chiều dày rất nhỏ, sau đó trong thời gian lưu trú trong lớp vật liệu thì nhiệt độ được làm đều theo chiều dày lớp

S S S

SG SW

SG

SG S

t

ρλ

ττ

τ

τ

3600

1

25 , 1 2

S C ρ

Trong lò quay ngoài dòng bức xạ hướng tâm còn có dòng bức xạ dọc trục; giữa các phần tử lân cận nhau của lò cũng có trao đổi nhiệt bức xạ

Trong một loạt các công trình nghiên cứu đều ghi nhận khó khăn khi tính trao đổi nhiệt bức xạ theo hướng dọc trục từ vòi phun đến đầu lạnh của lò Sự trao đổi nhiệt này và cả mức độ đồng đều nhiệt độ của dòng khí phụ thuộc chủ yếu vào tiêu chuẩn Bo:

2

4 T D

}

GM

XM G M

XM M

M

G G

GM

XM M G G M G

M G GM

XM M

T

T

T l

l

l l q

q

).

1 (

)

(

].[

1 ) 1 (

[ )]

1 (

).[

1 (

1

4

4

εε

εε

ε

δεεεεε

− +

− +

−

=

=

(1-3) Trong đó:

Lượng nhiệt bức xạ do vật liệu hoàn lại trong vùng làm nguội

{

}

GM

XM G M n

kl tt XM dn G M

M

G GM

XM M G G M G M G GM XM M

D

B q q

T

T

T

l l l

l q

q

).

1 (

).(

.

1000 2 ]

)

[(

].

1 ) 1 (

[ )]

1 (

).[

1 (

ε δ ε ε ε ε ε

− +

Bkl: công suất lò

1.1.2 Trao đổi nhiệt bằng đối lưu

Trong lò quay lượng nhiệt trao đổi bằng đối lưu nhỏ hơn nhiều so với lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ, nó chỉ chiếm khoảng (8- 10)% tổng lượng nhiệt trao đổi theo Folliot [3] ta có:

1 8 ,

0 ÷

=

GS

Qα

Đặc điểm tiêu biểu của điều kiện truyền nhiệt nói chung cũng như của trao đổi nhiệt đối lưu nói riêng trong lò quay là ở chỗ : bề mặt nhận nhiệt được đổi mới liên tục, tường lò khi tiếp xúc với dòng khí, nhận được nhiệt sau đó lại tiếp xúc với vật liệu và lại truyền lại nhiệt cho nó, quá trình đó luôn xảy ra trong lò quay, nên tuy tốc độ quay của lò nhỏ nhưng trao đổi nhiệt đối lưu giữa khí và tường lò cũng khác trao đổi nhiệt đối lưu trong ống cố định Còn các hạt vật liệu cũng luôn chuyển động, khi thì nằm trên bề mặt lớp liệu, khi thì lưu trú trong lòng lớp nên bề mặt nhận nhiệt của vật liệu cũng không cố định và có độ nhám phụ thuộc vào cỡ hạt vật liệu Do đó lớp liệu luôn bị sáo trộn, sự sáo trộn lớp biên còn chịu ảnh hưởng của

quá trình bốc hơi nước, quá trình trình tạo bụi… những yếu tố này vừa ảnh hướng tới sự hình thành, ổn định và chiều dày của lớp biên nói trên bề mặt vật liệu vừa làm thay đổi tính chất vật lý của chất mang nhiệt mà cụ thể là dòng khí, và do đó ảnh hưởng nhiều đến quá trình trao đổi nhiệt đối lưu Vì nhiệt độ của vật liệu và khí ở các vùng lò khác nhau, chênh nhau lớn nên vai trò của quá trình trao đổi nhiệt bằng đối lưu cũng thay đổi theo chiều dài lò

Ngoài ra, quá trình trao đổi nhiệt đối lưu còn liên quan chặt chẽ với các quá trình chuyển động và sự biến đổi hóa, lý của vật nung, trong các quá trình này các thông số lưu lượng khói, tốc độ khí , tốc độ vật liệu, thành phần cỡ hạt vật liệu, nồng độ bụi chứa trong dòng khí, của vật liệu và lớp lót đếu thay đổi không chỉ theo chiều dài lò mà còn thay đổi cả theo tiết diện lò nên cường độ trao đổi nhiệt đối lưu tại những vùng khác nhau của lò cũng không giống nhau

Lượng nhiệt truyền từ khí tới vật liệu và tường lò bằng đối lưu có thể tính bằng công thức sau:

Trong vùng nung vật liệu theo [2] tính:

)]

( [G S S

dl XS

Trong vùng làm nguội

] ) [( M M G

dl

GW

bằng đối lưu của khí cho vật liệu mà còn ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt bức xạ giữa chúng Thành phần và kích thước cỡ hạt cũng ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt đối lưu vì nó ảnh hưởng đến quá trình luôn chuyển động của hạt và sự chuyển động của bụi Khi tăng kích thước các hạt vật liệu nung với các điều kiện khác không đổi, tiêu chuẩn Bio tăng và do vậy sự đồng đều nhiệt độ của vật liệu tăng Các tính toán của [4] đã chỉ ra rằng, kích thước các hạt vật liệu cần không nhỏ hơn 1,5 ÷2,0mm đối với lò đường kính 4m và không lớn hơn 8÷12mm đối với lò đường kính 6m

cường độ trao đổi nhiệt nói chung cũng như trao đổi nhiệt đối lưu nói riêng Sự phụ thuộc của mức độ đồng đều nhiệt độ vật liệu vào tốc độ quay của lò

Theo [2] ta có: ∆t M = f( τMG, τMW, λM,C M, ρM) việc định chính xác các giá trị λ, C, ρ của vật liệu tại các tiết diện lò khác nhau rất khó khăn, do đó thông thường trong tính toán người ta thường sử dụng các giá trị trung bình Theo số liệu Folliot [3], đối với hỗn hợp nguyên liệu bao gồm những hạt có kích thước từ một vài centimet đến

ρM=1250 Kcal/m3 ⎜⎜⎝⎛ M c M M =0 , 0104 /m .h2 đo⎟⎟⎠⎞

1 2

ρ

Đối với các hạt Clanhke λM=1 Kcal/m.h.độ; ρM=3000 Kcal/m3

Vấn đề cơ bản trong tính toán lượng nhiệt trao đổi bằng đối lưu là xác định

cạnh các công thức kinh điển để tính đối với trường hợp khi chất lỏng chuyển động trong ống còn một loạt các công thức có tính đến sự đặc thù của quá trình trao đổi nhiệt bằng đối lưu trong lò quay Việc phân tích và so sánh các công thức tính toán sẽ cho phép xác định được một công thức tính toán chính xác và thuận lợi Theo [1], hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong vùng cháy, trên đoạn chiều dài 5D từ đầu lò có thể tìm được từ công thức:

D

Nu G dl

ở những phần còn lại của lò, theo [8] có thể tính được bằng công thức

D

Nu G dl

λ

Hệ số Z được xác định theo tỷ số

n D

1.1.3 Trao đổi nhiệt khi vật liệu tiếp xúc với tường lò

Trong lò quay, tường lò nhận được nhiệt khi tiếp xúc với dòng khí, sau đó nó lại truyền một phần nhiệt lượng đã nhận được cho vật liệu khi chúng tiếp xúc với nhau Hiện nay, gặp phải hai quan điểm tính toán lượng nhiệt trao đổi khi tường tiếp xúc với vật liệu:

- Tính toán lượng nhiệt đó theo phương pháp truyền nhiệt bằng bức xạ và đối lưu

Theo quan điểm thứ nhất, tường lò sau khi nhận được nhiệt do dòng khí truyền cho bằng bức xạ và đối lưu, sẽ truyền một phần lượng nhiệt mà nó đã nhận được cho vật liệu bằng dẫn nhiệt

Ứng với mỗi vòng quay của lò, trong chu kỳ tiếp xúc với dòng khí, nhiệt độ của lớp lót tường lò tăng, còn trong chu kỳ tiếp xúc với vật liệu thì nhiệt độ của nó giảm, theo [2], nhiệt độ dao động của lớp lót trong 1 vòng quay của lò khoảng 150

Khi tiếp xúc trực tiếp với lớp lót, các hạt vật liệu trong lớp rất mỏng sát bề mặt tiếp xúc được nung nóng còn sau đó trong thời gian lưu trú trong lớp vật liệu thì nhiệt độ được làm đồng đều Theo chiều dày lớp, nhiệt độ vật liệu trên bề mặt tiếp xúc với lớp lót cao hơn nhiệt độ trong lớp, độ chênh nhiệt độ trung bình giữa hai nơi

đó có thể xác định theo công thức của [2]:

S S S

SW SG

SW

SW WS

dn g

C q

t

ρλ

ττ

τ

τ

.

3600

1

Nhiệt lượng lớp lót truyền cho vật liệu bằng dẫn nhiệt theo [2] có thể xác định theo công thức:

3600 ) 100 (

00115

,

g M G MW

M M M G

MG MW

MW dn

ττ

τ

(1-9) thay (1-8) vào (1-9) ta được:

−

+

=

) 3600

833

,

0

(

3600 ) 100 (

00115

,

M M M

MW MG

MW

MW dn

WM M

G

MW

M M M G

MW

MG MW dn

WM

C q

t

t

C t

q

ρλ

ττ

ττ

τ

ρλ

τ

ττ

Sau khi biến đổi ta có:

MW

MG MW G

M G MW

M M M G

MW

MG MW dn

WM

t

t t C

t q

τ

τττ

ρλ

τ

ττ

+ +

− +

=

) 100 ( 000958 ,

0 1

) (

3600 ) 100 (

00115

) (

.

τ

ττ

Trong đó:

α: hệ số trao đổi nhiệt

tG: nhiệt độ khói lò

tB: nhiệt độ không khí bao quanh lò

Hệ số α phụ thuộc vào các hằng số vật lý của vật liệu cũng như của lớp lót và thời gian nung

Quá trình trao đổi nhiệt trong lò quay là không ổn định, trong tường lò nhiệt lượng

đường kính nên tường lò có thể xem như một tấm phẳng để tính toán mà không gây

ra sai số đáng kể

Phương trình vi phân dẫn nhiệt trong tường lò vì thế có dạng:

2

2

r

t a

t

δ

δδτ

δ =

Như sẽ trình bày chi tiết trong chương 2 lượng nhiệt tường lò truyền cho vật liệu khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau có thể tính theo công thức sau:

n a

A C F

S,C , a

0

n: Tần số [1/h] (số vòng quay của lò trong 1 giờ)

Trong công thức 1-12 xác định A0 là rất khó, nên Nguyễn Thị Hồng Hà [10] đã tính toán lượng nhiệt tường lò truyền cho vật liệu khi tiếp xúc trực tiếp với điều kiện biên loại 4:

) (

2

.

.

2

W W W S

S S

S S S W

W W

C C

C C

n F

+

=

ρλρ

λ

ρλρ

λ

Trong thực tế sản xuất xi măng, tùy theo từng phương pháp sản xuất và điều kiện công nghệ cụ thể mà vật liệu có kích thước khác nhau, tuy nhiên chúng vẫn có kích thước xác định và tạo ra độ rỗng trong không gian tiếp xúc giữa vật liệu và tường Theo quan điểm 2, trong không gian lò có quá trình trao đổi nhiệt bức xạ và đối lưu giữa tường với vật liệu khi tiếp xúc với nhau Theo V Frisch [11] lượng nhiệt đó được xác định theo công thức:

tiếp với vật liệu

δ : hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối δ = 5 , 67 10 − 8 W/m2 0 K4

1.1.4 Các phương pháp tính sự truyền nhiệt trong lò quay xi măng

Do các quá trình cháy, cũng như các quá trình chuyển động của khí, vật liệu

và các quá trình biến đổi lý hóa của vật cần gia nhiệt nên việc tính toán truyền nhiệt

trong lò quay rất khó khăn Cho đến hiện nay mặc dù các nhà nghiên cứu đã dành rất nhiều cho mục đích này nhưng các tính toán cũng chỉ thực hiện được sau khi chấp nhận một loạt các giả thiết để đơn giản hóa

Công trình có quy mô lớn đầu tiên về hướng này lần đầu tiên được Gygi [7] tiến hành vào năm 1937, Gygi tính toán quá trình truyền nhiệt trong lò dựa theo kết quả đo nhiệt độ của khí và vật liệu tại rất nhiều điểm dọc theo chiều dài lò, cũng như các thông số vật lý xác định được của vật liệu lấy từ các vị trí khác nhau trong

lò Kết quả của Gygi không được chính xác, nhưng đây là công trình đầu tiên và cho đến nay là một trong số rất ít công trình được tiến hành dựa trên kết quả đo đạc ở một lò cụ thể, vì thế đồ thị phân bố nhiệt độ và phân bố dòng nhiệt của Gygi đã trở thành kinh điển và được đưa vào các giáo trình để tính truyền nhiệt trong lò quay

Tiếp theo Gygi, một loạt các tác giả đề cập đến việc tính toán các quá trình trao đổi nhiệt trong lò, trong đó có công trình cơ bản nhất, tổng quát nhất là luận văn tiến sỹ khoa học của Xogopob, nội dung chính của công trình này được trình bày trong [2], một số công thức tính toán trong phần 1.4 được rút ra từ công trình này Tuy nhiên do việc tính toán từng phần của phương trình (1-1) rất khó khăn nên một số tác giả tìm cách xác định hệ số trao đổi nhiệt tổng quát cho từng vùng lò Franbenberger [12] đã xác định phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt chung, bao gồm tất cả các dạng trao đổi nhiệt theo nhiệt độ khí, nhiệt độ vật liệu và nhiệt

độ tường lò Độ chênh nhiệt độ trung bình giữa khí và vật liệu được xác định theo toán đồ của Transtel Do các quá trình trong vùng cháy phức tạp hơn rất nhiều so với những vùng khác, nên chẳng những phương pháp của Frankenbergerr mà còn nhiều phương pháp của các tác giả khác đều không phù hợp cho vùng này

Để tránh gặp khó khăn khi thiết lập mà đặc biệt là giải các phương trình truyền nhiệt cảu lò quay Xogopob[13] đã đề ra các phương pháp dựa trên các quan

hệ thực nghiệm, theo phương pháp này, lượng nhiệt mà vật liệu nhận được trên một đoạn chiều dài d(l) dựa theo công thức:

( ) (l l ) (T T )dl k

Trong đó:

k: là hệ số tính đến sự ảnh hưởng của tất cả các yếu tố chưa tính trong biểu thức (1-15), và về ý nghĩa nó biểu diễn tốc độ phân bố lượng nhiệt mà bề mặt vật liệu nhận được:

T a f

;

, 2

dh: đường kính hạt vật liệu

α: góc nghiêng của lò

β: góc nghiêng tự nhiên của vật liệu

tính theo công thức:

M G

M G bx

T T

T T A

lượt theo từng vùng theo chiều chuyển động của khí hoặc của vật liệu Các phương pháp đều có nhược điểm chung là không thể áp dụng tính toán cho vùng ngọn lửa

Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, các công thức tính toán dựa trên cơ sở phương pháp số để giải các phương trình, hệ phương trình vi, tích phân phức tạp và được áp dụng rộng rãi trong ngành lỹ thuật Trong lò quay xi măng, quá trình trao đổi nhiệt bức xạ không chỉ có vai trò quan trọng nhất mà việc tính toán nó cũng phức tạp nhât, vì thế để đánh giá vai trò của tường lò trong quá trình trao đổi nhiệt của lò quay xi măng ta phải tính toán truyền nhiệt cho lò quay

và sử dụng phương pháp tính toán cho phép xác định chính xác nhất lượng nhiệt truyền bằng bức xạ, còn các dạng trao đổi nhiệt khác được tính thông qua công thức hoặc các hệ số hiệu chỉnh

Phương pháp phân tố hữu hạn để tính quá trình trao đổi nhiệt bằng bức xạ là một phương pháp gần đúng rất quen thuộc trong lý thuyết truyền nhiệt và được trình bày khá tỷ mỷ trong các tài liệu về chuyên đề bức xạ nhiệt của [1], [14], [15] Ưu điểm của phương pháp này ở chỗ: việc giải các phương trình vi, tích phân mô tả các quá trình trao đổi nhiệt bức xạ trong không gian kín chứa môi trường bức xạ được thay bằng giải các phương trình đại số không tuyến tính Nhằm mục đích này, người ta đưa không gian tính toán thành những vùng nhỏ theo ba chiều và trong mỗi vùng nhỏ đó xem nhiệt độ, chế độ dòng, các thông số vật lý là không đổi Sự trao đổi nhiệt trong lò sẽ được biểu diễn bằng hàm số của nhiệt độ các vùng Để thiết lập mối quan hệ này, trước hết người ta xác định hệ số trao đổi nhiệt trực tiếp

và sau đó xác định hệ số trao đổi nhiệt toàn phần của từng cặp ô, cuối cùng thiết lập phương trình cân bằng năng lượng cho tất cả các ô trong không gian nghiên cứu Hệ phương trình cho phép tính trường nhiệt độ và mật độ dòng nhiệt ở tất cả các ô tham gia vào quá trình trao đổi nhiệt

Các công trình nghiên cứu ở trên được nghiên cứu nhằm giải quyết, tính toán bài toán truyền nhiệt bên ngoài, quá trình truyền nhiệt từ ngọn lửa và sản phẩm cháy

truyền nhiệt bên trong, quá trình truyền nhiệt từ bề mặt vào trong lòng lớp liệu Theo Hải Anh [16] mối quan hệ đó có thể biểu diễn bằng biểu thức:

trình bày cụ thể ở chương 2

đã được đặt ra là xác định phân bố nhiệt độ trong lò quay xi măng, từ đó tính toán lượng nhiệt trao đổi qua tường lò, nên dưới đây trình bày một phương pháp được thiết lập dựa vào các phương trình cân bằng nhiệt cho khí, tường và vật liệu

1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNGNHIỆT TRONG LÒ QUAY

1.2.1 Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt vật liệu tiếp xúc với khia

Khảo sát bề mặt vật liệu tiếp xúc với khí, các dòng nhiệt bao gồm:

- Dòng nhiệt bức xạ và đối lưu từ khí

-Dòng nhiệt bức xạ từ bề mặt hở của tường

-Dòng nhiệt dẫn nhiệt từ bề mặt vật liệu tiếp xúc với khí vào tâm cuả vật liệu

Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt vật liệu tiếp xúc với khí có dạng:

0 , ,

α

G S G

ε

α

GS GS

Dòng nhiệt đối lưu được tính theo công thức:

) (

13

Hình 1.1 : Mô hình trao đổi nhiệt cho bề mặt vật liệu tiếp xúc với khí

Dòng nhiệt bức xạ ε

GS

) (

GS

[

U

W G

S S

G

GS

) 1 ).(

1 (

1

1 (

.

,

4 , , ,

U

G W

.

,

εε

.

.

,

G S

S S S

Vậy phương trình (1-19) có thể biểu diễn dưới dạng cụ thể như sau:

0 ) (

.

.(

) (

, , ,

, , 4 4 ,

, , 4 4 ,

=

−

∆ Π

−

∆

− +

∆

− +

−

S G S G S G

WS G S G S G GS

A T

T A

T T T

εα

(1-19*)

1.2.2 Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt tường tiếp xúc với khí

Khảo sát bề mặt tường tiếp xúc với khí, các dòng nhiệt bao gồm:

bằng nhiệt độ cân bằng của tường

Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt tường tiếp xúcvới khí có dạng:

0 , ,

bằng nhiệt đô cân bằng của tường

1 Dòng nhiệt đối lưu và bức xạ từ khí đến bề mặt tường α , ε

GW Q

ε α

ε

α

GW GW

3

U

S G

S W

G

GW

)]

1 ).(

1 (

1 (

2 Dòng nhiệt bức xạ từ bề mặt hở của tường đến bề mặt vật liệu : ε

G WS

Q ,

) (

.

,

4 , , ,

Theo W.Schupe, εWS , G có thể tính theo công thức sau đây:

U

G W

.

,

εε

3 Dòng dẫn nhiệt từ bề mặt tường đến lớp tường có nhiệt độ bằng nhiệt đô

G W

Q ,

G W

) (

.

.

,

ρλ

W G W G W G

W

W W W

Vậy phương trình (1-25) có thể biểu diễn dưới dạng sau đây:

0 ) (

.

2 ) (

.(

.

, , ,

4 ,

4 , ,

,

, 4 4 , ,

−

∆

β

τπ

ρλδ

ε

δε

α

W G W WG G

W

W W W G

S G W G

S

G

WS

G W G G W GW G

W G

G

W

GW

T T A

C T

T A

T T A T

T

A

(1-25*)

1.2.3 Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt tường tiếp xúc với vật liệu

Phương trình cân bằng nhiệt có dạng:

0 ,

,

Trong đó:

đến bề mặt tường tiếp xúc với vật liệu

1 Dòng dẫn nhiệt từ lớp tường có nhiệt độ bằng nhiệt độ cân bằng của tường

( W S W B)

S W W

W

W W W S

.

.

τπ

ρλ

2 Dòng nhiệt bức xạ và đối lưu mà tường truyền cho vật liệu tiếp xúc với

, ,

song song rộng vô hạn:

1 1 1

1

,

− +

=

S W

( )

, ,

.

WS W

S S

W

W

WS

B W S W S W W

T T

T

T T

A C

δεα

1.2.4 Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát cho tường lò

Khảo sát trường hợp tổng quát cho toàn bộ tường, các dòng nhiệt được biểu diễn

trên hình vẽ gồm:

- Phương trình cân bằng nhiệt cho tường

0 , ,

cân bằng của tường Tính theo công thức (1-31)

λ

S

W

bề mặt tường tiếp xúc vơi vật liệu Tính theo công thức (1-33)

Theo Frisch :

WU U WU WU

U WU WU

.(

) (

[

, ,

.

.

2 ) (

.

, ,

, , ,

=

− +

U

WU

WU

B W S W S W W

W

W W W W

G W G W G

T

T

T T

A

C T

T A C

δεα

τπ

ρλτ

1.2.5 Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt vật liệu tiếp xúc với tường

Khảo sát bề mặt vật liệu tiếp xúc với tường, các dong nhiệt thể hiện trên hình

vẽ