Tài liệu Giáo trình thiết bị nhiệt doc

Quan hệ giữa các áp suất này được biểu thị bằng phương trình Bernulli, đó là một dạng của định luật bảo toàn năng lượng của dòng khí chuyển động ở áp suất không cao lắm.. Điều đó có nghĩ

TR¦êNG §¹I HäC B¸CH KHOA §µ N½NG KHOA HãA - NGµNH cnhh & VËT LIÖU

2007

Chương 1

Chuyển động khí trong lò công nghiệp

1 1Khái niệm và định luật cơ bản

về kết cấu lò, kỹ thuật gia công chuẩn bị vật liệu, sự phân bố nhiệt độ và duy trì môi trường trong lò

Ngày nay trong các thiết bị nhiệt hiện đại, sự chuyển động tự nhiên của dòng khí khó đảm bảo cho lò làm việc có năng suất cao, công suất lớn Nên hầu hết các thiết bị nhiệt đều dùng quạt để tạo ra sự chuyển động cưỡng bức dòng khí

Thực tế ở lò công nghiệp, áp suất dư hay chân không thông thường nhỏ hơn 50mm H 2O, do vậy khi tính các quá trình liên quan đến dòng khí có thể bỏ qua ảnh hưởng của các yếu tố áp suất tới sự nén hoặc giãn nở của khí, mà chỉ xem xét nó như chất lỏng không chịu nén, đồng nhất và liên tục lấp đầy kênh dẫn Nên vận dụng

được những định luật chuyển động của chất lỏng vào chất khí

Cần chú ý điểm khác cơ bản giữa chất khí và chất lỏng ở chỗ chất khí biến đổi thể tích, tốc độ, mật độ rất nhiều theo nhiệt độ Nên việc nghiên cứu và áp dụng những định

luật cơ bản về chất khí cũng rất cần thiết để khảo sát dòng khí trong lò

1.1.2 Các định luật

1.1.2.1 Định luật Boil - Mariotte

Khi nhiệt độ không đổi, áp suất của khối khí tỷ lệ nghịch với thể tích của nó

- T = const ta có

1 2 2

1

V

V P

Hay: pv = const

1.1.2.2 Định luật Gay - Lussac

Khi áp suất không đổi, thể tích riêng khí lý tưởng sẽ biến đổi tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối

- P = const, ta có

2

1 2

2 2

=

ρ

ρρ

ρ

1

V V

(1-3)

Khi tính toán ta thường gặp và phải tính thể tích khí với khối lượng riêng của khí ở nhiệt

độ toC khi biết thể tích và khối lượng riêng của nhiệt độ chuẩn OoC

V

o o

273 + ) , [ Kg/m

V1, V2, …, Vn : Thể tích các khí thành phần (%)

ρ1, ρ1, …,ρn: Khối lượng riêng các khí thành phần (kg/m3) Nếu biết tốc độ khí ở nhiệt độ chuẩn (hoặc nhiệt độ nào đó) ta có thể xác định được tốc

độ khí ở nhiệt độ (t 0C) õang khảo sát

Wt = Wo (

273

) , [ m/s] (1-6) Khi thể tích không đổi, áp suất tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của nó

- v = const

2 1 2

1

T

T P

P

= (1-7) Suy ra quan hệ áp suất ở nhiệt độ t và nhiệt độ chuẩn OoC:

v: thể tích riêng của khí , [m3/ kg ]

T: nhiệt độ tuyệt đối , [ oK]

R:Hằng số khí bằng 8314/M, [j / kg.0C] và M khối lượng mol của khí

P1 , P2 , , Pn : áp suất riêng phần của các khí

Vhh: thể tích của hỗn hợp khí

V1 , V2 , , Vn : Thể tích riêng của từng khí có trong hỗn hợp khí

Từ Boil - Mariotte ta tính được áp suất riêng phần, ta có

hh n hh

1.2.1 áp suất tỉnh học

áp suất tỉnh học đó là sự chênh lệch áp suất thực trong nồi hơi, trong lò hay trên đường ống… (gọi là áp suất tuyệt đối Ptu ) với áp suất khí quyển bên ngoài thường đo bằng baromet Pba và nó có giá trị âm hay dương

Giữa 2 tiết diện kênh hay ống dẫn có thể có áp suất hình học nếu có chênh lệch độ cao của 2 tiết diện này và có khí chuyển động trong ống kênh đó (hình 1-1) Trường hợp này áp suất hình học xác định bằng

Phh = (H2-H1) g (ρkk - ρk)

Phh = ∆ H.g (ρkk - ρk) , [N/ m2 ] (1-15)

Hình 1-1 - Sơ đồ áp suất hình học Giá trị áp suất hình học có thể dương (+) hoặc âm (-)

Wo ; ρo - Tốc độ và khối lượng riêng của khí ở nhiệt độ OoC

áp suất tốc độ của khí thành lập bởi quạt đẩy hoặc quạt hút hoặc do cả hai

Vì áp suất tốc độ có liên quan và phụ thuộc nhiều vào tốc độ dòng khí, nên ta phải chú ý đến chuẩn số Reynolds đặc trưng chuyển động của dòng khí

t

t d W ν

ab 2

Pk = Pa + Hg ρk

Pkk = Pa + Hg ρkk

∆P = Pk - Pkk = - Hg (ρkk - ρk) [ N/m2 ] Trong tr−íng hîp ®Ìu th−íng øng dông ®Ó tÝnh chiÒu cao hîp lÝ ®Ó ®Ưt c¸c thiÕt bÞ

®o hoƯc thiÕt kÕ c¸c cöa quan s¸t, lÍy mĨu, thö mĨu ị tr−íng hîp thø hai, ¸p suÍt khÝ trong b×nh nhâ h¬n ¸p suÍt kh«ng khÝ Cho nªn nÕu ta mở cöa ị d−íi, kh«ng khÝ sÏ ïa vµo b×nh vµ ®Ỉy khÝ ra khâi b×nh lªn phÝa trªn th−íng øng dông ®Ó tÝnh chiÒu cao ỉng khêi

W1, W2 - Tỉc ®ĩ khÝ cña tiÕt diÖn 1 vµ 2, [m/s]

ρ1, ρ2 - MỊt ®ĩ khÝ cña tiÕt diÖn 1 vµ 2, [Kg/m3]

NÕu ρ = const khi T = const

F1W1 = F2W2 = V = const (1-21)

Do ®ê: W =

F V

®−íng ỉng qua lì hị ®ê, th× ph−¬ng tr×nh liªn tôc cña dßng cê d¹ng sau:

Năng lượng toàn phần của dòng khí lý tưởng bao gồm áp suất tĩnh học, hình học

và áp suất tốc độ Quan hệ giữa các áp suất này được biểu thị bằng phương trình Bernulli,

đó là một dạng của định luật bảo toàn năng lượng của dòng khí chuyển động ở áp suất không cao lắm

Xét tiết diện 1 và 2 của kênh dẫn khí, phương trình chuyển động củakhí lý tưởng sẽ là:

H1 +

g

W g

P1 + 12

ρ = H2 +

g

W g

P

2

2 2

Tốc độ khí phụ thuộc vào tiết diện của ống, của kênh dẫn và nhiệt độ Nếu kênh

mở rộng, đồng thời áp suất tốc độ không đổi thì tổn thất áp suất chỉ để thắng sức cản do

ma sát

Trong ống kênh nằm ngang với tiết diện không đổi Giả thiết không có tổn thất htt

= 0 Quan hệ giữa sự biến đổi nhiệt độ và áp suất có thể viết dưới dạng:

2 2

2

W 2

W

ρ

ư

2 2

2

W 2

Nếu từ tiết diện 1 đến tiết diện 2 có tổn thất thì phương trình chuyển động của khí có dạng:

2 1 2

2 2

2

W 2

1

2 T T

1.4.Sự chuyển hóa giữa các dạng áp suất

Hãy khảo sát sự chuyển động khí theo đường ống ở hình 1- 4, áp suất hình học hhh

= O và giả sử áp suất tổn thất htt = O ở đoạn tiết diện hẹp, áp suất tốc độ tăng lên dẫn tới

giảm áp suất tĩnh học một đại lượng chính bằng đại lượng tăng của áp suất tốc độ Như

vậy có nghĩa là áp suất tĩnh học đã chuyển thành áp suất tốc độ hay nói khác đi áp suất tốc độ được tạo ra bởi áp suất tĩnh học

Hình 1-4 - Sự chuyển áp suất tĩnh học thành áp suất tốc độ

(Xem trang sau)

Dự trữ năng lượng của khí là áp suất tĩnh học nhờ đó mà khí chuyển động Trong dòng khí chuyển động lại xuất hiện áp suất tổn thất Như vậy ngay cả khí chuyển động khí theo đường ống có tiết diện không đổi áp suất tĩnh học dần dần chuyển thành áp suất tốc độ và áp suất tốc độ lại liên tục chuyển thành áp suất tổn thất

hth → htđ → httKhi đó, trong kênh tỉết diện không đổi, áp suất tốc độ luôn luôn không đổi do sự chuyển hóa của áp suất tĩnh học áp suất tổn thất thì ngược lại, nó không thể biến thành dạng áp suất nào khác, điều đó có nghĩa là áp suất tổn thất là dạng không thuận nghịch

Động năng của khí khi đó chuyển thành nhiệt năng ứng với đại lượng áp suất tổn thất Thực tế, nhiệt độ khí khi đó tăng lên rất ít (chỉ vài phần của độ) và coi như không tăng

Do đó áp suất tổn thất làm giảm dự trữ năng lượng của áp suất tĩnh học

Từ phương trình Bernulli ta thấy rằng, khi thay đổi một áp suất này thì áp suất kia cũng thay đổi theo Điều đó có nghĩa là một áp suất này có thể chuyển thành áp suất khác khi tổng áp suất của dòng khí chuyển động duy trì không đổi

Thông thường sự chuyển hóa áp suất xãy ra khi có sự thay đổi tiết diện kênh dẫn

Như vậy trên đường đi của khí vào kênh ( ống hay tường) và có

- Sức cản do ma sát của khí vào kênh (ống hay tường) và sức cản này xuất hiện

trên toàn bộ đường đi của khí trong kênh dẫn ở mọi tiết diện và chiều hướng khác nhau

- Sức cản địa phương xuất hiện chỉ ở những khu vực hay đoạn nào đó của kênh

dẫn, ví dụ: đoạn kênh đoù thay đổi tiết diện hoặc thay đổi hướng đi

Tuy nhiên bên cạnh hai dạng sức cản trên còn có dạng sức cản khác do áp suất hình học tạo nên Trường hợp này chỉ xảy ra khi chuyển khí nóng theo đường ống xuống phía dưới nghĩa là ngược với chiều chuyển động tự nhiên của khí nóng Trái lại, nếu chuyển động khí nóng lên phía trên thì áp suất hình học lại là năng lượng chuyển vận khí

và nó phải phụ thêm vào áp suất tĩnh học và áp suất tĩnh học là năng lượng của dòng khí chuyển động

Vì thế nếu áp suất hình học là sức cản thì phải đưa vào tổng sức cản của hệ thống, ngược lại nếu đó là năng lượng chuyển động thì nó sẽ giảm sức cản của hệ cho nên tổng sức cản của hệ sẽ bằng:

Sức cản do ma sát có trên suốt đường đi của khí, nó phụ thuộc vào đặc tính chuyển

động của dòng khí tức chuẩn số Reynolds, trạng thái bề mặt của kênh dẫn, chiều dài và

C

F 4

F - tiết diện ngang của kênh dẫn, [m2]

C- chu vi của tiết diện đó, [m]

Khi chuyển động xoáy, sự phân bố tốc độ trở nên không đều đặn Do có dòng xoáy mà trở lực tăng lên Ngoài ra ở chỗ gồ ghề của mặt kênh còn tạo ra sức cản phụ do các dòng xoáy riêng biệt gặp nhau

Nếu tốc độ chuyển động của khí càng cao, độ xoáy càng lớn thì độ gồ ghề của mặt kênh càng có ảnh hưởng nhiều đến sức cản Lớp khí cứ chuyển động dòng ngay sát mặt kênh dần dần biến mất do độ xoáy tăng lên và sức cản đạt tới giá trị cực đại

Khi khí chuyển động xoáy trong ống kim loại nhẫn, hệ số cản do ma sát không phụ thuộc vào loại khí chuyển động Nếu Re ≤ 105 hệ số này xác định theo công thức Bzarius bằng:

β = 0,25

Re

3164 , 0

(1-33) Trong đó kim loại xù xì:

β = 0,12

Re

129 , 0

(1-34) Trong ống xây bằng gạch

β = 0,12

Re

175 , 0

(1-35)

Khi độ xoáy của dòng tăng cao, độ gồ ghề của kênh có ảnh hưởng rất nhiều đến

hệ số cản Khi đó hệ số cản không phụ thuộc vào chuẩn số Re nữa mà chỉ phụ thuộc vào

Đối với các ống, ta có trị số K sau:

ống kim loại mới K= 0,04 - 0,17

Gần đúng, trị số ε có thể lấy giá trị sau:

ống kim loại mới ε =

d

5 , 0

d

3

ống kim loại bị oxy hóa ít m = 0,035 ống kim loại bị oxy hóa nhiều m = 0,045 Trong công nghiệp lò, do quá trình khí chuyển động gắn liền với sự trao đổi nhiệt nên hàm lượng bụi trong khí cũng có ảnh hưởng Hệ số ma sát kể đến ảnh hưởng này có dạng:

β, =β( 1 +à) và à hàm lượng bụi trong khí, [kg/ kg]

Lúc này phải chú ý đến sự thay đổi khối lượng riêng của khí khi chuyển động

ρok khối lượng thể tích của khí ở điều kiện chuẩn

C nồng độ bụi trong khí [ kg/m3]

1.5.2 Sức cản địa phương (cục bộ)

Khi thay đổi hình dạng hình học của ống dẫn (mở rộng, thu hẹp, chỗ uốn, gấp khúc ) thì tốc độ, chiều hướng chuyển động, hình dạng của dòng khí cũng thay đổi theo Điều đó làm tăng độ xoáy của dòng, làm tốc độ của dòng theo tiết diện của kênh dẫn bị phân bố lại Kết quả phải tiêu tốn một phần năng lượng của khí chuyển động và để tiện tính toán người ta thường biểu diễn phần tổn thất năng lượng này bằng một phần nào

đó của áp suất tốc độ xác định theo phương trình:

Trường hợp đột mở có thể sử dụng công thức gần đúng tính hệ số cản xác định theo

công thức của Borde - Karno:

số cản đối với ống tròn ξ=2 , đối ống có tiết diện bất kỳ ξ = 1,55

Khi chuyển động xoáy tỷ lệ tốc độ

Ví dụ góc quay α = 90o, mép sắc đối với tiết diện chữ nhật nhưng tỷ lệ chiều cao với chiều rộng

= 1,8 Sau đó ξ giảm và khi

b

1

> 10 cả hai đoạn quay 90o này có ξ=2,3

Nếu quay theo hình chữ U với tiết diện như nhau, giá trị ξ phụ thuộc vào tỷ lệ

2 +

Tt , Tk : nhiệt độ tường kênh (ống dẫn) và của khí [oK]

Nếu khí có nhiều bụi, thì khi tính toán sức cản ta dùng hệ số cản như sau:

với l là chiều dài của phần lò có vật liệu xếp, [m]

W0 Tốc độ trung bình của dòng khí ở tiết diện thoáng, [m/s]

ttb nhiệt độ trung bình của phần lò tính trở lực, [0C]

Với vật liệu xếp trong lò vòng, lò nằm vật liệu được xếp thành các rãnh dẫn khí song song với trục lò:

d - Đường kính thủy lực của các kênh lớp xếp, m

Khi xác định sức cản của lớp vật liệu dạng hạt như lớp than trong lò khí hóa, lớp clinker, dolomit hay vôi trong lò chúng ta dùng công thức sau:

hlớp = ξl

2

Wd

H- Chiều cao lớp vật liệu, [m]

d- Đường kính trung bình của hạt, [m]

ρo - Khối lượng thể tích của khí [Kg/m3]

Wo - Tốc độ khí ở Oo C ứng với toàn tiết diện của vỏ lò [m/s.]

ttb - Nhiệt độ trung bình của khí đi qua lớp [oC]

Hệ số cản của lớp hạt có kích thước và hình dáng không giống nhau có thể xác định:

Re

15Re

75(2,4

53,1

ξ

∆ + +

ρ

ρ

ư ρ

ρv1- Khối lượng riêng của vật liệu [Kg/m3]

ρo - Khối lượng thể tích vật liệu , [Kg/ m3]

Chuẩn số Re xác định theo công thức:

t

1 t 1

dW.f)1(

45,0Re

[m/s]

dđ1 =

n n 2

2 1 1

n 2

1

d

G

d

G d G

G

G G

+ +

+ + +

t273

tt2

+

ư

(1-49)

tr- tv - Hiệu số nhiệt độ của khí lúc ra và vào [ oC]

ttb- Nhiệt độ trung bình của khí [oC]

(1-51) H: Chiều cao lớp liệu, [m]

dc: Đường kính trung bình phân loại cục, [m] và

dc =

∑G d

1

, [m] trong đó: G phần trọng lượng theo cở hạt, d: đường kính cục theo

các cở hạt, tính theo đường kính trung bình của mắt sàng để cục lọt qua, [m]

Khi chuyển động xoáy Re > 7

Re

46 Re

1800 + (1-52) Công thức trên ứng với f = 0,4 (thông thường f = 0,4 - 0,6)

Để xác định hệ số cản của lớp vật liệu dạng hạt cũng có thể dùng công thức khác, ví dụ:

ξl = 15,2 0,8 1,2 ( )0.2

t

W d f

fd3

a, n - Hệ số phụ thuộc vào kích thước trung bình của hạt (bảng 1-2)

Giá trị a và n đối với vật liệu có hình dạng không đều

Bảng 1-2

Hệ Đường kính trung bình của hạt,

.a 70.5 40.2 22.2 13.7 5.5 2.5 1.7 n 0.65 0.63 0.56 0.49 0.36 0.24 0.15

Sức cản của lớp than trong lò khí hóa được xác định tùy theo kiểu ghi lò, cường độ khí

hóa và thường có giá trị như sau: Than đá, antracit, kok, khi cường độ khí hóa

t t

d c

d c

ư +

ư

(1-57)

tđ, tc- Nhiệt độ đầu và cuối của khí oC

Sức cản của xyclon có thể tính theo tốc độ của ống vào hoặc tốc độ ứng với toàn tiết

diện của xyclon:

V

t t

ρbk - Mật độ biểu kiến của vật liệu, [Kg/m3]

H1- Chiều cao của lớp, [m]

àtb =

) n L ( 5 , 0 G

m 5 , 0 1 G

kk

ư

G1- Khối lượng vật liệu khô đi vào lò sấy Kg/h

Gk- khối lượng động lực sấy khi vào lò sấy ống, Kg/h

Lkk- Lượng không khí hút theo vào lò sấy ống, Kg/h

n- Lượng hơi ẩm bốc hơi trong lò sấy, Kg/h

Sức cản của đệm buồng hồi nhiệt xác định theo công thức:

ξhn- Hệ số cản khi xếp thành kênh thẳng (kiểu ximen đơn giản)

ξhn =

4 d

14 , 1

(1-65) Khi xếp theo kiểu chồng chéo (kiểu ximen quân cờ):

ξhn =

4 d

57 , 1

(1-66) d- Đường kính thủy lực của kênh trong đệm, m

Wo- Xác định ứng với tiết diện sống của đệm khi khối lượng thể tích của nó là ρo

Sức cản của đệm có thể dùng công thức:

hhn = n

2

W d

171 ,

0 02

25 ,

b- Chiều cao của gạch đệm, m

H- Chiều cao của lớp đệm, m

Trong lò nung đồ gốm, sức cản thủy lực của chúng có thể xác định:

hg = ξg L W2

L- Chiều dài lớp xếp vật liệu nung, m

Wtb- Tốc độ trung bình của khí qua tiết diện sống của lò, m/s

F 1 , 1 (

Ff- Tiết diện sống của toàn lớp vật liệu xếp trong lò, m2

n, S Số kênh và tiết diện ngang của mỗi kênh, m2

lò quay ở lò phòng chênh lệch nhiệt theo tiết diện ngang lớn hơn so với lò quay Việc làm đồng đều nhiệt độ ở lò phòng là nhờ dòng khí tuần hoàn tự nhiên Còn ở lò quay do tốc độ dòng khí quá lớn, cho nên việc làm đồng đều nhiệt độ là nhờ dòng cưỡng bức

Đưa khí vào hay thải khí ra khỏi lò nung, lò sấy hoặc các thiết bị nhiệt khác được tiến hành bởi thiết bị thông gió

Có hai phương pháp thông gió: nhân tạo và tự nhiên ở phương pháp nhân tạo sử dụng quạt hút hay quạt đẩy hay kết hợp cả hai Thông gió tự nhiên dùng ống khói để hút khí trong lò và đưa ra ngoài trời

1.6.1 Thông gió tự nhiên: ống khói

ống khói là thiết bị thông gió tự nhiên, sức hút của nó được thành lập do áp suất hình học tạo ra áp suất này phải thắng được hay bằng sức cản thủy lực từ điểm ± 0 đến chân ống khói, đồng thời phải tính đến sức cản do bản thân ống khói gây nên Như vậy khi tính toán ống khói, đầu tiên ta phải tính tổng trở lực của hệ thống lò:

htt = ∑hms + ∑hđf + ∑hhh [N/m2] (1-70)

Đồng thời phải dự trữ (20 ± 40)% áp suất, cho nên áp suất tính toán sẽ bằng:

ht = (1,2 + 1,4) htt [N/m2] (1-71) Chiều cao của ống khói xác định theo phương trình:

ht = Hg ( k

t kk

t ư ρ

273

t 273 ( 2

tb W D

0

2 0 tb

k

t

kk

t , ρ

ρ - khối lượng riêng của không khí và khói lò ở nhiệt độ t, Kg/ m3

β - Hệ số ma sát của khí vào thành ống khói

W0tb – Vận tốc trung bình của khói trong ống khói , [m/s]

Wom – Vận tốc khói ở miệng ống khói, [m/s]

Để xác định đường kính miệng ống khói Dm, ta chọn Wom trong khoảng (4ữ5 )m/s Tốc

độ không được nhỏ hơn 2m/s, vì nếu nhỏ hơn thì không khí dễ lọt qua miệng ống khói vào lò Cũng không được vượt quá 6m/s vì khi đó sức cản của bản thân ống khói tăng lên

ở công thức trên chúng ta thấy, số hạng thứ nhất là áp suất hình học do ống khói tạo nên, số hạng thứ hài là áp suất tổn thất do ma sát, số hạng thứ ba là sức cản địa phương do khí qua miệng ống khói ra ngoài trời

Nếu biết lưu lượng khí Vok ở điều kiện chuẩn m3/s thì ta dễ dàng xác định đường kính miệng ống khói theo công thức sau:

4

D2mπ

ống khói bằng thép không lót gạch chịu lửa bên trong

∆t =

M

8 0

Hình 1-11 : Chân không thành lập bởi ống khói khi nhiệt độ không khí oC

Vài điều cần lưu ý:

-

Theo yêu cầu vệ sinh và phòng hỏa chiều cao ống ống khói không được nhỏ hơn 16m và phải cao hơn mái nhà cao nhất ở phạm vi bán kính độc hại như NxOy, SO2 thì chiều cao của ống khói phải cao hơn 100m Chiều cao lớn nhất cả ống khói có thể đạt tới 150m Nếu nhiên liệu tiêu tốn khoảng 5T/h thì chiều cao ống khói chừng 30m, nếu tăng

đến 100 - 200T/h, chiều cao phải lớn hơn 100m

- Nếu ống khói dùng chung cho 2 lò thì chiều cao ống khói ứng với lò nào có sức cản lớn nhất và lưu lượng khí bằng tổng lưu lượng của hai lò Dưới chân ống khói phải có tường ngăn cao ít nhất (2 – 4)m để khói lò nọ không chạy sang lò kia

- Nếu nhiệt độ khí thải > 700oC phải dùng gạch chịu lửa để xây

1.6.2 Quạt gió

Trong lò sấy, lò nung thường sử dụng quạt tương đối rộng rãi Quạt gió dùng để thổi không khí vào lò nhằm làm nguội sản phẩm nung, cung cấp không khí cho quá trình cháy nhiên liệu hoặc tạo ra dòng đối lưu trong lò Ngoài ra quạt gió cũng dùng để hút và thải khí ra ngoài trời Tuy mục đích sử dụng quạt khác nhau, song tác dụng thông gió trong lò và nguyên tắc họat đều như nhau

Nhi

ệt đ

ộ

hói C

Chiều cao ống khói , m

Quạt gió chia làm 3 loại: Thấp áp - áp suất đến 1000 N/m2 , trung áp: 2400 - 3000 N/m2 và cao cáp: 8000 ữ 15000N/m2 Tùy theo nhiệt độ của khí ta phải bảo vệ quạt cho phù hợp nhằm tăng tuổi thọ của quạt Khi nhiệt độ khí vượt quá 150oC thì phải làm nguội

ổ bi, khi trên 300oC thì phải làm nguội cả trục bằng nước Nếu khí có nhiệt độ cao, thì trên đường ống dẫn đến quạt ta làm một van đặc biệt để không khí vào làm nguội bớt khí

đến nhiệt độ khoảng 250oC Nếu nhiệt độ khí đến 600oC thì tốt nhất là dùng quạt chế tạo

từ hợp kim Crôm - Niken

16.1 Phân loại

Có hai loại quạt: Quạt ly tâm và quạt hướng trục Đa số trường hợp ta dùng quạt

ly tâm Quạt hướng trục chỉ tạo ra áp suất thấp (340 ữ 400)N/m2 và dùng để chuyển một lưu lượng khí lớn làm mát

Các chỉ tiêu của quạt là năng suất V - tức thể tích không khí vận chuyển ở 20oC,

htổng - toàn bộ áp suất động học và tĩnh học khi ρ = 1,2 kg/m3, công suất động cơ điện, hệ

số tác dụng hữu ích của quạt (tỷ lệ giữa công suất hữu ích và công suất đòi hỏi)

Quạt gió sản xuất hàng loạt và đã tiêu chuẩn hóa Vì vậy nhiệm vụ ở đây là lựa chọn quạt sao cho phù hợp với lò chứ không phải thiết kế kết cấu của quạt Để lựa chọn quạt ta sử dụng những giản đồ để tìm quạt tương ứng

Giản đồ này gồm 2 phần, phần dưới có năng suất ứng với số cuả quạt Phần trên có

áp suất, hệ số tác dụng hữu ích ηq và chỉ số A dùng để xác định số vòng quay

Cách chọn quạt

Từ năng suất cần thiết ta kẻ ngang và cắt những đường ứng với số hiệu của quạt, từ giao điểm này gióng ngược lên gặp đường kéo ngang là áp suất cần thiết Tại giao điểm cuối cùng đó ta sẽ được ηq và chỉ số A Như vậy có thể sử dụng quạt này hay quạt khác, nhưng cơ bản là lựa chọn quạt nào có hệ số tác dụng hữu ích cao và phải đạt ít nhất trên 90% hệ số tác dụng hữu ích cực đại Thông thường hệ số tác dụng hữu ích của quạt nằm trong khoảng (50 -70)%

Số vòng quay cần thiết của quạt:

N

A

, [vòng/phút] (1-85)

No số của quạt - phụ thuộc vào đường kính của quạt

Công suất ở trục động cơ điện có thể xác định theo công thức sau:

c q

t t

η

1000

Vt - Lưu lượng khí cần phải thổi hay hút ở nhiệt độ cho, m3/h

ht - áp suất toàn bộ mà quạt phải thành lập ở nhiệt độ làm việc N/m2

ηq - Hệ số tác dụng hữu ích của quạt

ηq - Hệ số truyền trục, tùy theo dạng truyền trục và dao động 0,90 ữ 0,98

Khi thiết lập các thông số của quạt, áp suất của quạt được xác định đối với không khí ở

20oC (ρ = 1,2kg/m3) Khi sử dụng quạt để hút khói lò chẳng hạn, khối lượng riêng của khí ρk khác nhiều với khối lượng riêng của không khí Do đó áp suất để tính toán và lựa chọn quạt sẽ bằng:

ht =

k

tt 1 , 2 h

2 1 2

1

n

n h

h

= ,

3 2

3 1 2

1

n

n N

h

= KV2, .h và h0 : Tổn thất của mạng ở điều kiện mới và điều kiện ban đầu

1.6.2 Phương pháp đặt quạt

Trong công nghiệp lò ta thường gặp một quạt phục vụ cho hệ hoặc nhiều hệ thống

lò Trong trường hợp đó quạt gió phải có thông số như thế nào cho thích hợp Chúng ta hãy khảo sát sơ đồ một quạt dùng cho 4 lò như nhau (hình 1-12)

Sức cản thủy lực đoạn AB là h1, BC1=BC2 với sức cản h2

C1D1= C1D2= C2D3= C2D4 sức cản h3

áp suất mà quạt cần phải có: ht = h1 + h2 + h3

Hình 1-12 : Sơ đồ quạt dùng cho 4 lò Như vậy áp suất yêu cầu của quạt bằng áp suất một trong 4 mạch lò đó vì sức cản

4 mạch bằng nhau Nếu lò không giống nhau, sức cản thủy lực khác nhau, thì áp suất yêu cầu của quạt phải chọn ứng với mạch có sức cản lớn nhất

Lưu lượng khí cần thiết của quạt sẽ bằng tổng lưu lượng của các mạch (tức 4 lò ở sơ

đồ trên)

Trường hợp dùng quạt hút, trong lò tạo nên chân không lớn Vì vậy không khí bên ngoài lọt vào lò khá nhiều qua các khe hở, lỗ quan sát, cửa lò làm hệ số tiêu tốn không khí tăng lên đôi khi tới α = 5 hoặc hơn

Gọi lượng khí vận chuyển theo tính toán Vt [m3/h], vì lượng không khí lọt vào nên lưu lượng khí thực là Vthực [m3/h] Do đó tốc độ khí tăng lên η lần

Kênh khói lò nổi (trên mặt đất) 1,5 - 3,0

Kênh khói lò ngầm (dưới mặt đất) 1 - 2,5

Trường hợp có 2 quạt cùng làm một nhỉệm vụ thì có thể có những sơ đồ sau:

1-13a Một quạt hút khí từ lò nung, một quạt hút khí buồng đốt cùng đưa vào lò sấy

1-13b Hai quạt cùng hút khí từ một nguồn và thồi vào hai hệ thống lò khác nhau

1-13c Hai quạt cùng hút khí từ một nguồn và cùng thổi vào một hệ thống lò

1-13d Quạt thứ nhất hút khí thổi vào quạt thứ hai, sau đó quạt thứ hai thổi vào hệ thống

lò

Hình 1-13 : Sơ đồ mắc quạt song song và nối tiếp

Trong trường hợp a, b, c ta có kiểu mắc quạt song song, trương hợp d gọi là mắc quạt nối tiếp

Đặc tính của mạng gồm 2 quạt như nhau mắc song song được khảo sát trong hình 1-14 Đường 1 đặc trưng của một quạt làm việc, đường 2 đặc trưng của hai quạt đồng thời làm việc đường 3 là đường đặc trưng của mạng Khi áp suất không đổi h1 = const thì rõ ràng năng suất của hai quạt đồng thời làm việc sẽ tăng lên gấp hai lần năng suất của một quạt (2 V1)

Tuy nhiên nếu tăng lưu lượng của mạng thì tổng thất áp suất của mạng cũng biến

đổi và biến đổi theo đường parabol (đường 3) Vì vậy năng suất của mạng phụ thuộc vào

điểm cắt a`2 của đường 2 và đường 3 Điểm a`2 chỉ rằng năng suất của mạng tăng lên n =

2

h

h1+ 2

và năng suất mỗi quạt chính là năng suất của cả mạng (điểm a2) Như vậy tức là ở mạng nối tiếp mỗi quạt sẽ làm việc với lưu lượng cao hơn và áp suất thấp hơn so với trường hợp nó làm việc

độc lập Còn ở trường hợp mắc song song thì quan hệ đó lại ngược lại

(Xem trang sau) Nếu hai quạt có đặc tính khác nhau, cùng làm việc trong một mạng song song hoặc nối tiếp có thể dẫn tới hạ thấp các chỉ tiêu của quạt, lưu lượng tổng và áp suất tổng

có thể nhỏ hơn so với một quạt Cho nên cần khảo sát kỹ càng những đặc tính của chúng khi cho chạy trong cùng một mạng

1.6.3 Lựa chọn phương án đặt quạt

Vấn đề quan trọng cần duy trì chế độ áp suất trong lò nên như thế nào để điều kiện làm việc của lò tốt nhất

Lò có thể làm việc dưới áp suất dương bởi quạt đẩy và đường biểu diễn áp suất sẽ

là hình 10a Ưu điểm của sơ đồ này là nhiệt độ phân bố tương đối đồng đều Nhược điểm cơ bản của sơ đồ này là ngọn lửa sẽ phụt ra ngoài qua các khe hở, cửa lò Vì vậy điều kiện làm việc của công nhân sẽ rất nặng nhọc, sắt thép ở cửa lò dể bị cháy hỏng, tiêu tốn

Lò có thể làm việc dưới áp suất âm bởi thiết bị hút gió (quạt hút hay ống khói) vối

đường phân bố áp suất ở hình10b Làm việc dưới áp suất âm, đặc biệt lò dài như lò nen chẳng hạn, trị số áp suất âm càng phải cao ở zôn đốt nóng Kết quả không khí lạnh

tuyn-sẽ lọt vào lò qua c ác khe hở, lổ quan sát, cửa đốt Đặc biệt ở lò tuyn-nen, độ kín của lò tương đối kém, không khí lọt vào càng nhiều làm nhiệt độ phân bố trong lò càng không

đều

Hình 1-10 - phân bố áp suất trong lò

(Xem trang sau) Tốt hơn cả là lò làm viêc kết hợp cả quạt đẩy và quạt hút ở đầu có quạt đẩy ta có

áp suất dương, đầu cuối có quạt hút ta có áp suất âm Giao điểm áp suất ± 0 khi chuyển

áp suất dương sang âm (hình 1-10) nằm ở zôn nung Với sơ đồ này, áp suất dương có trị

số không lớn, nên khí lọt ra ngoài cũng ít đi nhiều áp suất âm ở cuối lò cũng giảm đi nhiều nên không khí lọt vào lò giảm đi Đặc biệt ở zôn nung áp suất gần bằng áp suất ngoài trời, vì vậy chế độ nhiệt trong lò ổn định, điều kiện làm việc tốt hơn

Đối với các lò khác cũng vậy, phải bố trí làm sao để zôn nung ở nhiệt độ cao nằm trong phạm vi áp suất ± 2 mm H2O (±20 N/m2) Vì vậy ở các lò nung gốm sứ, nấu thủy tinh, xi măng việc tính toán quạt gió phải bảo đảm zôn nung nằm trong phạm vi áp suất trên.)

1.7 Vòi phun

Nếu ta thổi khí rất mạnh theo ống nhỏ vào ống to hơn như hình vẽ 1-16 không khí bên ngoài sẽ kéo theo vào ống lớn, vì dòng khí đã tạo nên một chân không ở miệng ống lớn Nếu dùng ống tròn thì tác dụng hút không khí ngoài trời sẽ kèm vì tổn thất áp lực nhiều hơn Nếu dùng ống loa ( ống khuyếch tán) thì giảm tổn thất áp suất và tăng được lưu lượng khí chuyển vận Ngoài ra ống loa còn có tác dụng trộn lẫn hai khí I và II rất

đều Trên cơ sở nguyên tắc này người ta chế tạo những vòi phun để thải khói lò ra ngoài trời (Ejektor) và vòi phun nhiên liệu khí ở các lò nung ( injektor) Cũng dựa theo nguyên tắc đó người ta chuyển khói lò hay không khí ở nhiệt độ cao mà quạt không chịu nổi đến

vị trí cần thiết Tính toán vòi phun Ta có:

m1W1 + m2W2 = (m1 + m2) W3 (1-92) Trong đó:

2 2 1 1 3

m m

W m W m W

+

+

2 2 1 1

2 2 2 1 1 1

V V

W V W V

+ ρ

ρ + ρ

(1-93)

Tốc độ khí phun W1 xác định theo áp suất tốc độ của khí phun I Nếu áp suất tĩnh học trong ống khí phun là h1, áp suất tĩnh học ở cổ ống loa là h3 thì áp suất tốc độ sẽ tương ứng với phương trình:

( 2 ρ

W12

ρ1 + h3 [N/m2] (1-96)

áp suất tĩnh học ở cổ ống loa h2 xác định theo thông số của khí hút II, đó chính là chân không cần thiết để thải khí trong lò ra ngoài Vì vậy h2 = htt là sức cản trên đường đi của khí theo II vào hỗn hợp sau khi trộn đến cửa Tốc độ của khí hút II đi vào cổ ống lấy trong khoảng W2 = (8 – 12) m/s Như vậy áp suất tốc độ của khí hút II bằng chênh lệch

áp suất tĩnh học của khí hút II với cổ ống

đi ra khỏi vòi phun và để khắc phục sức cản trên đường đi của khí từ cổ ống đến điểm thoát có đại lượng h4 ta sẽ được phương trình cơ bản để tính toán

V V

(

) W V W V (

2 1 2 2 1 1

2 2 2 2 1 1 1

+ ρ

+ ρ

ρ + ρ

vì

1 1

2 2 1 1 3

V V

V V

x

x x

2 ư ) N/m2 (1-104)

htt - sức cản trên đường đi của không khí theo II và hỗn hợp sau khi trộn đến cửa đốt, N/m2

htđ - áp suất tốc độ của không khí phun I từ ống phun không khí N/m2

x - tỷ lệ tiết diện cổ ống loa và miệng ống phun I

xtư- tỷ lệ tối ưu của hai tiết diện trên ứng với hệ số tác dụnhg hữu ích lớn nhất của vòi phun

xtư = (2-η) (1+

à

ϕ

) (1+à) (1-105)

η - hệ số tac dụng hữu ích của ống loa khi góc nở α = 10o ; η = 0,75

ϕ - tỷ lệ khối lượng không khí hút theo II với khối lượng không khí phun I hoặc tỷ

lệ thể tích của chúng ở Oo

à - tỷ lệ mật độ (khối lượng riêng) của khí hút theo II và không khí phun I

Chương 2

Trao Đổi Nhiệt

Trao đổi nhiệt là hiện tượng chuyển vận nhiệt tự nhiên từ vật thể có nhiệt độ cao

đến vật thể có nhiệt độ thấp hơn Sự xuất hiện trao đổi nhiệt gắn liền với sự chuyển động nhiệt phân tử, do vậy trao đổi nhiệt còn xảy ra ngay bên trong một vật thể do sự phân bố nhiệt độ trong vật thể đó không đồng đều Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể tiếp xúc với nhau là do sự biến đổi tương hổ của năng lương nhiệt và năng lượng bức xạ

Quá trình nung vật liệu trong các lò nung đều xãy ra 3 phương thức trao đổi nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ Tùy vào điều kiện cụ thể của các giai đoạn trong quá trình nung mà phương thức này là chủ yếu, phương thức kia là thứ yếu Nung ở nhiệt độ (500 – 600)oC trao đổi nhiệt chủ yếu là đối lưu, khi tăng quá 1000oC thì bức xạ chiếm vai trò chủ yếu Còn trao đổi nhiệt dẫn nhiệt thường xãy ra trong vật thể rắn khi các vật thể có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau hoặc xãy ra tại các miền khác nhau được tích lũy những phần năng lượng không giống nhau trong nội tại của vật thể Đối với vật thể lỏng hoặc khí trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt xãy ra yếu hơn

ý nghĩa trao đổi nhiệt trong lò công nghiệp rất lớn, cả về phương diện kỹ thuật lẫn kinh tế Vì vậy việc vận dụng những định luật cơ bản về trao đổi nhiệt là vô cùng cần thiết khi nghiên cứu, tính toán lò công nghiệp

2.1 Truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt

2.1.1 Khái niệm chung

Khi tiếp xúc hai vật thể rắn có nhiệt độ khác nhau, hoặc bên trong một vật thể có những phần tử có dự trữ năng lượng khác nhau, thì giữa chúng có sự phân bố lại năng lượng tức là nhiệt Đó là nguyên nhân dẫn nhiệt từ chỗ nhiệt độ cao tới chỗ nhiệt độ thấp

Sự dẫn nhiệt cũng xãy ra trong môi trường khí và lỏng nếu chất khí và chất lỏng

đó ở trạng thái đứng yên hay chuyển động dòng ( chuyển động lớp)

Trường nhiệt độ ( nhiệt trường )

Nhiệt độ là một thông số trạng thái của vật thể Tập hợp tất cả các trị số nhiệt độ tức thời của vật thể hoặc của môi trường gọi là trường nhiệt độ

Nhiệt độ tại một điểm bất kỳ của vật thể phụ thuộc vào vị trí của điểm đó trong không gian nhưng đồng thời nó cũng nhận những giá trị khác nhau tại những thời điểm khác nhau ( phụ thuộc vào thời gian ) Như vậy, trường nhiệt độ là một hàm số của không gian và thời gian:

.t = f ( x,y, z, τ ) Nếu trường nhiệt độ chỉ biến đổi theo không gian và không thay đổi theo thời gian gọi là trường nhiệt độ ổn định

.t = f ( x,y, z ) Nếu trường nhiệt độ biến đổi theo không gian, thời gian gọi là trường nhiệt độ không ổn

có nhiệt độ giống nhau trong trường nhiệt độ sẽ tạo thành một mặt gọi là mặt đẳng nhiệt

Đối với một vật, các mặt đẳng nhiệt được khép kín và không bao giờ cắt nhau Dòng nhiệt sẽ đi từ mặt đẳng nhiệt có nhiệt độ cao tới mặt đẳng nhiệt có nhiệt độ thấp hơn

Građian nhiệt độ (grad t)

Gọi khoảng cách giữa mặt đẳng nhiệt thứ nhất tới mặt đẳng nhiệt thứ hai là ∆n, chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt này là ∆t thì Građian nhiệt độ của nó sẽ là:

Vậy građian nhiệt độ thể hiện nhiệt độ biến thiên ở một điểm cho trước trên vật thể có trị

số bằng độ biến thiên nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài theo phương pháp tuyến với mặt đẳng nhiệt

Khi grad t = 0 trường nhiệt trong vật thể là đẳng nhiệt ( không xãy ra dẫn nhiệt trong vật thể) Khi grad t ≠ 0 có dòng nhiệt xuất hiện trong vật thể, sự dẫn nhiệt xãy ra Chiều dòng nhiệt trùng với chiều giảm nhiệt độ trong vật thể

Grad t là một đại lượng vectơ, cùng phương với phương pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt nhưng ngược chiều với chiều dòng nhiệt Việc thêm dấu trừ trong công thức Fourier dưới đây nói lên rằng dòng nhiệt sẽ truyền theo hướng nhiệt độ giảm

2.1.2 Định luật Fourier

Nhiệt lượng nguyên tố dQ dẫn qua một nguyên tố bề mặt dF trong thời gian dζ tỉ

lệ thuận với građian nhiệt độ, với đại lượng bề mặt và thời gian

dn

dt

dF.dζ , [j] (2-2) λ- Hệ số dẫn nhiệt được coi như một trong những đặc tính vật lí của vật thể [W/moC] hoặc [kcal/m.h.oC]

n – khoảng cách [m]

F – bề mặt vuông góc với chiều dòng nhiệt truyền qua [m2]

ζ - Thời gian dòng nhiệt dẫn qua [h hay s]

Dấu ( - ) dòng nhiệt biến đổi theo chiều giảm nhiệt độ

Q – nhiệt lượng dẫn đi trong vật thể [j]

Đối với tường có chiều dày δ và nhiệt độ bề mặt trong là t1 và mặt ngoài là t2 và t1

> t2 Sau khi lấy tích phân và đổi dấu ta sẽ có phương trình truyền nhiệt sau:

Q = (t1ưt2)F.

σ

λ

(2-3) Nếu δ = 1m, t1 - t2 = 1oC, F = 1m2 thì Q = λ

Từ đây ta có độ dẫn nhiệt chính là cường độ của dòng nhiệt đi qua 1m2 bề mặt khi chênh lệch nhiệt độ là 1oC trên đường đi của nó Đại lượng độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào bản chất của vật thể, nhiệt độ và thường xác định bằng thực nghiệm Độ dẫn nhiệt của một số vật liệu cho trong bảng 2-1

Bảng 2-1 - Độ dẫn nhiệt của một số vật liệu rắn

2.1.3 Truyền nhiệt qua tường phẳng 1 lớp và nhiều lớp

Trong công nghiệp lò chúng ta thường gặp tường 1 lớp vật liệu và tường gồm nhiều lớp vật liệu khác nhau Việc lựa chọn loại vật liệu để xây lò có ý nghĩa lớn nhằm bảo vệ lò đồng thời giảm tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh Tường lò nung hay các thiết bị nhiệt khác làm việc ở nhiệt độ cao thường có 3 lớp: Lớp trong cùng là gạch chịu lửa, lớp giữa là vật liệu cách nhiệt, lớp ngoài cùng xây bằng gạch đỏ

Đối với tường 1 lớp ta có thể áp dụng Fourier Nếu coi mặt đẳng nhiệt bên trong

có nhiệt độ t1, bên ngoài có nhiệt độ t2, chiều dày của tường δ, bề mặt F (m2) tacó công thức dòng nhiệt:

t1 - t4 = q (

3

3 2

2 1

1

λ

σ + λ

σ + λ

σ

) (2-11)

Từ đây ta có cường độ dòng nhiệt:

3

3 2

2 1 1

4

1 t t

λ

σ + λ

σ + λ σ

t t

t1 – nhiệt độ lớp tường trong cùng , [oC]

t1+ n - nhiệt độ lớp tường ngoài cùng , [oC]

i – Số thứ tự của lớp tường

n – Số lớp tường

2.1.4 Truyền nhiệt qua tường hình trụ 1 lớp và nhiều lớp

Nguyên tắc truyền nhiệt qua tường hình trụ cũng giống như tường phẳng Điểm khác cơ bản là cường độ dòng nhiệt giảm từ trung tâm ống trụ tới mặt ngoài, do dòng nhiệt liên tiếp đi qua bề mặt mở rộng của ống

Nếu trong tường hình trụ bán kính trong là r1 và bán kính ngoài r2 (hình 2-2),

ta chia chiều dày nó ra thành những đoạn dr với chênh lệch nhiệt độ dt, theo định luật Fourier cường độ dòng nhiệt qua lớp dr biểu thị bằng phương trình:

Với ống có chiều dài 1m thì F = 2πr , m2

Qdr π

r r

t

dr Q

Suy ra:

1 2

1

1 2

2 1

d

d n

t t Q

n gọi là nhiệt trở của 1m chiều dày ống trụ

Đối với tường trụ có n lớp với nhiệt độ bề mặt là t1 và tn+1 , số đường kính tương ứng của các lớp dn thì phương trình sẽ có dạng:

n

1 n n 2

3 2 1

2 1

1 n 1

d

d n 2

1

d

d n 2

1 d

d n 2 1

t t

+ +

πλ

+ πλ

+ πλ

ư

n i

i i

n

d

d n

t t

1

1

1 1

1 2

1

πλ

2.2 Truyền nhiệt bằng đối lưu

2.2.1 Dòng nhiệt đối lưu

Trong môi trường chất lỏng và khí vận chuyển nhiệt chủ yếu bằng phương thức

đối lưu Quá trình vận chuyển nhiệt từ chất lỏng (khí) đến bề mặt chất rắn khi tiếp xúc với nhau và có nhiệt độ khác nhau hay ngược lại từ vật rắn tới chất lỏng ( khí) gọi là quá trình cấp nhiệt

Nguyên nhân trao đổi nhiệt bằng đối lưu là chuyển động nhiệt phân tử Lực liên kết giữa các phân tử của khí và lỏng kém hơn nhiều so với vật thể rắn, nên các phân tử của chúng chuyển động một cách tự do Những phân tử nào có năng lượng lớn sẽ chuyển

động nhanh hơn khi chúng va chạm vào phân tử có năng lượng nhỏ hơn, chuyển động chậm hơn sẽ truyền năng lượng cho những phân tử này

Có hai dạng đối lưu: đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức

Đối lưu tự nhiên là sự chuyển động của chất lỏng (khí) do sự chênh lệch khối lượng riêng của các phân tử vật chất ở các vị trí nhiệt độ khác nhau

Ngoài dạng đối lưu tự nhiên ta còn có dạng đối lưu cưỡng bức, nhờ bơm, quạt gió hay máy nén khí mà chất lỏng hay khí chuyển động Hiệu quả trao đổi nhiệt bằng đối lưu cưỡng bức cao hơn nhiều so với đối lưu tự nhiên Vì vậy nó thường được sử dụng trong các thiết bị nhiệt, lò công nghiệp

Nếu dòng khí bị giới hạn bởi tường lò, tốc độ của nó càng gần tường càng giảm ở ranh giới giữa khí và bề mặt tường có một lớp khí mỏng gọi là lớp giới hạn ở đây khí chuyển động với tốc độ rất nhỏ hoặc ở trạng thái tĩnh Nên chiều dày của lớp này và độ dẫn nhiệt của nó có ý nghĩa rất lớn đến truyền nhiệt bằng đối lưu

Lượng nhiệt cấp đi từ vật thể nóng tới vật thể lạnh bằng đối lưu xác định công thức bằng công thức của Newton:

Q = αđ1 (t1- t2) F , W (2-23)

αđ1 - hệ số cấp nhiệt bằng đối lưu W/m2.độ

t1 - nhiệt độ vật thể cho nhiệt, oC

1

t t α

α gọi là nhiệt cản khi

truyền nhiệt bằng đối lưu

Hệ số cấp nhiệt bằng đối lưu là công suất của dòng nhiệt đi qua 1m2 tường khi chênh lệch nhiệt độ giữa chất lỏng (hoặc khí) với bề mặt tường là 1oC, trong thời gian 1 giây Đại lượng này phụ thuộc vào trạng thái bề mặt, hình dạng của nó, kích thước, nhiệt

độ, các thông số lý học của chất lỏng hay khí và chế độ chuyển động

Kích thước hình học có thể biểu thị bằng đường kính của kênh d (m), theo kênh này của khí chuyển động

Các thông số vật lý của khí (hoặc lỏng) là độ dẫn nhiệt λ [W/m.độ], mật độ ρ [Kg/m3], độ nhớt động học à [Ns.m2], và tỷ nhiệt C [j/Kg.độ], tốc độ chuyển động của nó

là W [m/s] Như vậy:

αd1 = f (d, W, ρ, à, λ, C) , [W/m2.độ] (2-27) Trong kỹ thuật đôi khi người ta còn dùng độ nhớt động:

Chế độ chuyển động của khí (hoặc lỏng) có ảnh hưởng nhiều đến cường độ trao

đổi nhiệt Tốc độ khí càng lớn, bề mặt tường càng nhẵn thì chiều dày lớp giới hạn càng mỏng và cường độ trao đổi nhiệt càng lớn Vì vậy ở các thiết bị nhiệt muốn cường độ trao

đổi nhiệt lớn cần phải có chế độ chuyển động xoáy

2.2.2 Phương trình đồng dạng và hệ số α d1

Vấn đề cơ bản là làm sao xác định được hệ số cấp nhiệt đối lưu αd1 , trong khi nó phụ thuộc vào rất nhiều các nhân tố khác Việc sử dụng lý thuyết đồng dạng cho phép ta rút gọn số thông số và sự phụ thuộc của αd1 vào các biến số khác nhau sẽ đưa vào dạng phương trình chuẩn số Nhằm mục đích đó, các biến số của phương trình (2-27) gộp thành nhóm để ta có những chuẩn số

Khi nghiên cứu thiết bị nhiệt ta thường gặp hai loại đồng dạng: Đồng dạng thủy

động và đồng dạng nhiệt

Điều kiện đồng dạng thủy động là đồng dạng trường tốc độ và áp suất Điều đó có nghĩa là hai hiện tượng chuyển vận chất lỏng ví dụ nước hoặc khí chẳng hạn, trong mô hình và thiết bị nghiên cứu sẽ đồng dạng chỉ trong trường hợp nếu chúng chảy trong khoảng đồng dạng hình học và có cùng một tỷ lệ tốc độ và chênh lệch áp suất ở những

điểm tương ứng Ngoài ra ở mô hình và thiết bị cùng có những chuẩn số như nhau, đó là

tỷ lệ lực tác dụng lên dòng chất lỏng chuyển động hoặc lực gây nên trao đổi nhiệt Ví dụ

tỷ lệ lực gây chuyển động là lực nhớt, điều kiện đồng dạng nhiệt là đồng dạng trường nhiệt độ, nghĩa là nhiệt độ ở các điểm tương ứng của mô hình và thiết bị cần phải có tỷ lệ như nhau Mặt khác các chuẩn số đồng dạng nhiệt phải bằng nhau

∆

∆p - chênh lệch áp suất

Các chuẩn số đồng dạng nhiệt

Chuẩn số Pekle là tỷ lệ giữa dòng nhiệt đối lưu và dòng nhiệt truyền đi bằng dẫn nhiệt

của chất lỏng, biểu thị bằng thông số vật lý ta có

Wd ν

= ν

Tức tỷ số nhiệt cản nội d/λ và nhiệt cản ngoại 1/αd1

Dùng chuẩn số này để xác định hệ số cấp nhiệt bằng đối lưu Nếu mô hình và thiết bị

α

(2-38) Rút ra hệ số cấp nhiệt đối lưu của lò α1 :

α1 = αm

1

1 m

Một số trường hợp hay vận dụng trong lò silicát

Với chế độ chuyển động xoáy

Khi chuyển động xoáy khí và lỏng theo ống dài, cấp nhiệt bằng đối lưu biểu thị bằng phương trình chuẩn số (khi Re ≥ 10.000 và 1/d ≥ 50)

Prt - Chuẩn số Prandtl ứng với nhiệt độ khí bằng nhiệt độ tường

Đối với không khí và khói lò chuẩn số Pr có thể lấy bằng 0,72 Vì vậy phương trình 42) có thể có dạng đơn giản hơn:

Nu = 0,018 Re 0,8 (2-43) Hoặc :

Theo số liệu lực nghiệm hệ số cấp nhiệt đối lưu: khi đốt nóng khí hệ số cấp nhiệt

đối lưu nhỏ hơn khi làm nguội khí Ví dụ khi làm nguội không khí (hoặc khói lò) αđ1 lớn hơn khoảng 1,3 lần khi đốt nóng, chẳng hạn khí đốt nóng không khí có nhiệt độ trung bình 0oC

αđ1 = 0,018

8 , 0

ν

λ

2 , 0

8 , 0 2

, 0

8 , 0

d

W 489 , 3 d

Khi làm lạnh không khí có nhiệt độ trung bình 0o :

αđ1 = 4,535

2 , 0

8 , 0

d

W

, [W/m2.độ] (2-47) Khi nhiệt độ trung bình của không khí 600o

Khi đốt nóng αđ1 = 1,8146

2 , 0

8 , 0

8 , 0

Nhiệt độ

(oC)

Độ nhớt không khí ở (760mmHg) ν.106 [m2/s]

Độ dẫn nhiệt λ W/m.độ

80 , 0 o

d

T - nhiệt độ tuyệt đối của khí, oK

d - đường kính thủy lực của kênh, m Khi chuyển động không khí tự do theo tường lò ở nhiệt độ thấp

A = 2.56 Cấp nhiệt dọc theo tường

A = 3.26 Cấp nhiệt do khí chuyển động lên phía trên

A = 1.63 Cấp nhiệt do khí chuyển động từ tường xuống phía dưới

Hệ số cấp nhiệt đối lưu từ khí tới bề mặt vật liệu dạng hạt phụ thuộc vào Re

Khi Re < 200 và phân bố khí đồng đều trong lớp

αđ1 = 0,124

t t

W ν

λ

, [W/m2.độ] (2-58) Khi Re > 200

ab 2 + , [m] (2-61)

Trong đệm buồng hồi nhiệt:

αđ1 = A

33 , 0

5 , 0 o

d

W

, [W/m2 độ] (2-62) Khi gạch xếp tạo kênh thẳng A = 8,8

Khi gạch xếp không tạo kênh thẳng A = 9,65

Trong lò nung nếu trị số Re không cao có thể dùng công thức gần đúng:

αđ1 = 5,6 + 4W , [W/m2.độ] (2-63) W- tốc độ khí ở 200oC, nếu trị số Re cao

αđ1 = 0,865

334 , 0

25 , 0 8 , 0

d

T W

Khi đốt nóng và làm lạnh nước, α đối lưu dao động trong khoảng (2340 - 11700) W/m2.độ và khi sôi nước thì trong khoảng (580 - 5200)W/m2.độ

2.3 Truyền nhiệt bằng bức xạ

2.3.1 Những định luật cơ bản

Mọi vật thể có nhiệt độ lớn hơn 0oK đều có thể phát ra không gian bên ngoài những tia nhiệt Các tia có bước sóng 0,4 - 400 àK là có tác dụng nhiệt lớn hơn cả và

được gọi là các tia nhiệt Sự truyền các tia nhiệt gọi là sự bức xạ nhiệt

Những định luật xác định năng lượng của chùm tia sáng cũng có thể dùng đối với tia nhiệt Tia nhiệt truyền ra không gian với tốc độ như tốc độ ánh sáng Truyền nhiệt bằng bức xạ là một dãy quá trình tiến hành liên tiếp

Khi các vật thể có nhiệt độ như nhau thì hệ thống ở trạng thái cân bằng động

về nhiệt: ở điều kiện đó phần năng lượng bức xạ của nó chính bằng năng lượng mà

nó thu được trong quá trình hấp thụ

Năng lượng của vật thể đầu tiên biến thành năng lượng tia nhiệt, nó truyền ra khoảng không gian theo chiều hướng khác nhau Khi gặp các vật thể khác thì một phần năng lượng bị hấp thụ, một phần đi qua vật thể đó, còn một phần phản xạ lại Phần hấp thụ sẽ chuyển thành dạng nhiệt và kết quả làm vật thể đó bị đốt nóng lên

Nếu ta ký hiệu lượng năng lượng truyền đến vật thể là Q0 , lượng nhiệt hấp thụ QA, lượng nhiệt phản xạ QR và lượng nhiệt đi qua vật thể đó QD, khi đó ta có:

Q0 = QA + QR + QD

1 =

0 0

Q Q

Q Q

(2-66)