Giáo trình Thiết bị nhiệt

1 TRƯờNG ĐạI HọC BáCH KHOA Đà NẵNG KHOA HóA - NGàNH cnhh & VậT LIệU 2007 2 Ch−ơng 1 Chuyển động khí trong lò công nghiệp 1. 1Khái niệm và định luật cơ bản. 1.1.1 Khái niệm. Sự chuyển động của dòng khí trong thiết bị nhiệt nói chung và trong lò sấy, lò nung ngành sản xuất vật liệu xây dựng nói riêng có ảnh h−ởng nhiều đến năng suất của lò. Bởi vì sự chuyển động này gắn liền với hiệu quả của quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng khí và vật liệu trong lò. Do đó tốc độ, thành phần của khí, chiều h−ớng và đặc tính chuyển động của dòng khí cần phải đảm bảo. Ngoài những yếu tố trên còn yêu cầu hợp lí về kết cấu lò, kỹ thuật gia công chuẩn bị vật liệu, sự phân bố nhiệt độ và duy trì môi tr−ờng 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 c−ỡng bức dòng khí. Thực tế ở lò công nghiệp, áp suất d− hay chân không thông th−ờng nhỏ hơn 50mm H2O, do vậy khi tính các quá trình liên quan đến dòng khí có thể bỏ qua ảnh h−ởng của các yếu tố áp suất tới sự nén hoặc giãn nở của khí, mà chỉ xem xét nó nh− chất lỏng không chịu nén, đồng nhất và liên tục lấp đầy kênh dẫn. Nên vận dụng đ−ợc 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 P = (1-1) Hay: pv = const 1.1.2.2 Định luật Gay - Lussac. Khi áp suất không đổi, thể tích riêng khí lý t−ởng sẽ biến đổi tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối. - P = const, ta có 2 1 2 1 T T V V = (1-2) Hay: T V = const Khối l−ợng riêng của khí khi áp suất không đổi sẽ biến đổi tỷ lệ nghịch với nhiệt độ của nó. 2 1 1 2 2 1 / / T T m m === ρ ρ ρ ρ 2 1 V V (1-3) 3 Khi tính toán ta th−ờng gặp và phải tính thể tích khí với khối l−ợng riêng của khí ở nhiệt độ toC khi biết thể tích và khối l−ợng riêng của nhiệt độ chuẩn OoC. 273 2731 t T T V V oo t +== Vt = Vo (1+ 273 1 t ) , [ m3 ] (1-4) 273 1 : hệ số dãn nở thể tích, đại l−ợng này hầu nh− không đổi với tất cả các loại khí. ρt = ρo ( t273 273 + ) , [ Kg/m 3] (1-5) Khối l−ợng riêng của hỗn hợp khí xác định bằng công thức sau: ρhh = 100 ...2211 nnVVV ρρρ +++ V1, V2, …, Vn : Thể tích các khí thành phần (%) ρ1, ρ1, …,ρn: Khối l−ợng 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 đ−ợc tốc độ khí ở nhiệt độ (t 0C) õang khảo sát Wt = Wo ( 273 273 t+ ) , [ 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: Pt = Po (1+ 273 1 t) (1-8) 1.1.2.3 Ph−ơng trình trạng thái của khí. Quan hệ giữa áp suất, nhiệt độ và thể tích biểu thị ph−ơng trình trạng thái của khí. Pv = RT (1-9) P: áp suất của khí , [N/ m2] 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 l−ợng mol của khí. 1.1.2.4 Định luật Dalton. áp suất chung của hổn hợp khí bằng tổng áp suất riêng phần của khí thành phần. Phh = P1 + P2 + .... + Pn (1-10) Vhh = V1 + V2 + .... + Vn . (1-11) Phh : áp suất của hỗn hợp khí. 4 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 đ−ợc áp suất riêng phần, ta có hh n hh n V V P P = suy ra: Pn = Phh . hh n V V (1-12) 1.2. Các dạng áp suất khí. Sự chuyển động của chất khí trong ống dẫn, trong kênh lò … đều gắn liền với lực gây chuyển động khí đó là áp suất. Đối với khí lý t−ởng có 3 dạng áp suất: áp suất tỉnh học, áp suất tốc độ (hay động học) và áp suất hình học. Với khí thực, ngoài 3 dạng áp suất trên còn có áp suất tổn thất hay trở lực. 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 đ−ờng ống… (gọi là áp suất tuyệt đối Ptu ) với áp suất khí quyển bên ngoài th−ờng đo bằng baromet Pba và nó có giá trị âm hay d−ơng. Pth = Ptu - Pba (1-13) Trong cơ học chất khí, áp suất tĩnh học đ−ợc coi là dự trữ năng l−ợng, năng l−ợng này sẽ tiêu tốn khi khí chuyển động. Vì vậy áp suất tĩnh học là thế năng của khí. Đơn vị đo của áp suất có thể là átmốtphe kỹ thuật [at], átmốtphe vật lí [atm], hoặc [mmHg], [N/m2], [mmH2O], [KG/cm 2 ]. Quan hệ giữa các đơn vị đo: 1 at ứng với 735,56mmHg, hay t−ơng đ−ơng 10 mH2O = 10.000 mmH2O = 1kG/cm2= 9.81.104 N/ m2. 1atm ứng với 760mmHg hay t−ơng đ−ơng 10,333 m H2O = 10.033mmH2O 1.2.2. áp suất hình học. áp suất hình học đ−ợc xác định bằng tích số của chiều cao cột khí và độ chênh lệch khối l−ợng riêng của các khí thay thế nhau ( không khí và khí). Phh = Hg (ρkk - ρk ) , [ N/m2 ] (1-14) H - Chiều cao của cột khí , [m] g - Gia tốc trọng tr−ờng [ m/s2] ρkk , ρk = Khối l−ợng riêng không khí và khí, [kg/m3] Nh− vậy áp suất hình học đ−ợc tạo ra phụ thuộc vào độ cao H và độ chênh lệch khối l−ợng riêng của khí và không khí. Nếu chiều cao H càng lớn, nhiệt độ khí càng cao tức ρk càng nhỏ thì áp suất hình học hay sức hút do ống tạo nên càng lớn. 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). Tr−ờng hợp này áp suất hình học xác định bằng Phh = (H2-H1) g (ρkk - ρk) 5 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 d−ơng (+) hoặc âm (-). 1.2.3. áp suất tốc độ. áp suất tốc độ là động năng của dòng khí chuyến động. Trong cơ học, động năng của vật thể rắn khi có khối l−ợng m chuyển động với tốc độ W xác định bằng đại l−ợng mW2/2. Nếu ta thay khối l−ợng m bằng khối l−ợng riêng của vật thể khí ở nhiệt độ to là ρt ta sẽ đ−ợc áp suất tốc độ: Ptđ = g Wt 2 2 ρt [ mmH2O] Hay Ptđ = 2 2 tW ρt , [ N/ m2 ] (1-16) Ptđ = 2 2 oW ρo ( ).1( tβ+ ). , [N/ m2 ] (1-17) Wo ; ρo - Tốc độ và khối l−ợng 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 tr−ng chuyển động của dòng khí. Re = t tdW ν νt - độ nhớt động học của khí ở nhiệt độ t, [m2/s.] Wt – Vận tốc khí ở nhiệt độ t, [m/s] d - đ−ờng kính thủy lực của ống dẫn , [m] ví dụ kênh dẫn khí hình chữ nhật có số đo các cạnh a, b d = ba ab2 + (1-18) 6 Nếu Re < 2200 ta có chuyển động dòng Re > 2200 ta có chuyển đọỹng xoáy Re = 2200 ta có chuyển động quá độ của dòng khí. 13 Ph−ơng trình các chất khí. 1.3.1. Ph−ơng trình cân bằng khí. Xét một bình hở đáy chứa đầy khí và nằm ở trang thái tĩnh hình 1-3 khí này có mật độ ρk nhỏ hơn mật độ không khí xung quanh ρkk . Ta có: áp suất trong bình Pk = Pa - Hg ρk , [N/m2] áp suất ngoài không khí Pkk = Pa - Hg ρkk , [ N/m2] Do đó: ∆P = Pk - Pkk = Hg (ρkk - ρk) [ N/m2] (1-19) Cũng chứng minh t−ơng tự, nếu bình hở miệng ta sẽ có: Pk = Pa + Hg ρk Pkk = Pa + Hg ρkk ∆P = Pk - Pkk = - Hg (ρkk - ρk) [ N/m2 ] Trong tr−ờng hợp đầu th−ờng ứng dụng để tính chiều cao hợp lí để đặt các thiết bị đo hoặc thiết kế các cửa quan sát, lấy mẫu, thử mẫu. ở tr−ờng hợp thứ hai, áp suất khí trong bình nhỏ hơn áp suất không khí. Cho nên nếu ta mồớ cửa ở d−ới, không khí sẽ ùa vào bình và đẩy khí ra khỏi bình lên phía trên th−ờng ứng dụng để tính chiều cao ống khói. 1.3.2. Ph−ơng trình dòng liên tục. Khi khí chuyển động thì khối l−ợng khí đi qua mọi tiết diện đều bằng nhau. Nên ph−ơng trình liên tục của dòng sẽ có dạng sau: F1W1ρ1 = F2W2ρ2 = const (1-20) F1, F2 - Tiết diện 1 và 2, [m 2] W1, W2 - Tốc độ khí của tiết diện 1 và 2, [m/s] ρ1, ρ2 - Mật độ khí của tiết diện 1 và 2, [Kg/m3] Nếu ρ = const khi T = const F1W1 = F2W2 = V = const (1-21) Do đó: W = F V Và nếu F1 = F2 ρ1W1 = ρ2W2 = const (1-22) Do đó: W2 = W1 1 2 T T (1-23) Nếu trên đ−ờng ống không kín, khí trong ống rò ra ngoài hoặc không khí lọt vào đ−ờng ống qua lỗ hở đó, thì ph−ơng trình liên tục của dòng có dạng sau: 7 ρ1 . F1 . W1 = G [Kg/s] ρhh . F2 . W2 = G ± ρ2∆V [Kg/s ] (1-24) ρhh - Khối l−ợng thể tích của hỗn hợp khí [Kg/m3] ρ2 - Khối l−ợng thể tích của khí lọt [Kg/m3] ∆V – thể tích khí lọt vào có dấu (+) và rò ra ngoài có dấu (-), [m3/s] 1.3.3. Ph−ơng trình chuyển động của khí. Năng l−ợng toàn phần của dòng khí lý t−ởng bao gồm áp suất tĩnh học, hình học và áp suất tốc độ. Quan hệ giữa các áp suất này đ−ợc biểu thị bằng ph−ơng trình Bernulli, đó là một dạng của định luật bảo toàn năng l−ợng của dòng khí chuyển động ở áp suất không cao lắm. Xét tiết diện 1 và 2 của kênh dẫn khí, ph−ơng trình chuyển động của khí lý t−ởng sẽ là: H1 + g2 W g P 211 +ρ = H2 + g W g P 2 2 22 +ρ = const (1-25) hay Hρg + P + 2 2ρW = const (1-26) Đó cũng chính là: Phh + Pth + Ptđ = const (1-27) Đối với khí thực, giữa tiết diện 1 và 2 có tổn thất áp suất cho nên ph−ơng trình Bernulli sẽ có dạng sau: Hρg + P + 2 2ρW + ht+t = const (1-28) Có nghĩa là: Đối với khí thực, khi chúng chuyển động thì tổng áp suất tĩnh học, hình học, tốc độ và áp suất tổn thất là một đại l−ợng không đổi. Nếu ống kênh nằm ngang, áp suất hình học bằng không, lấy ví phân ta có: ttdh dpdW ++ ρ2 2 = 0 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 d−ới dạng: - dp = ρ W d W , (*) Lấy tích phân xác định (*), cuối cùng ta có P1 - P2 = ρ2 W22 - ρ1 W21 = 2 ( 1 2 1 2 2 2 2 W 2 W ρ−ρ ) 8 Nếu ống kênh không nằm ngang, chiều cao của tiết diện 1 là H1 , của tiết diện 2 là H2 và H2 > H1 ta sẽ có ph−ơng trình: P1 - P2 = 2 ( 1 2 1 2 2 2 2 W 2 W ρ−ρ ) + ρo 12 TT 273 − g (H2- H1)1n 1 2 T T Nếu từ tiết diện 1 đến tiết diện 2 có tổn thất thì ph−ơng trình chuyển động của khí có dạng: P1 - P2 = 2 ( 1 2 1 2 2 2 2 W 2 W ρ−ρ ) + ρo 12 TT 273 − g (H2- H1)1n 1 2 T T +htt (1-29) Những ph−ơng trình trên sử dụng khi nhiệt độ thay đổi nhiều nh− trong buồng thu hồi nhiệt chẳng hạn. 1.4.Sự chuyển hóa giữa các dạng áp suất. Hãy khảo sát sự chuyển động khí theo đ−ờng 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 l−ợng chính bằng đại l−ợng tăng của áp suất tốc độ. Nh− vậy có nghĩa là áp suất tĩnh học đã chuyển thành áp suất tốc độ hay nói khác đi áp suất tốc độ đ−ợc 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 l−ợng 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. Nh− vậy ngay cả khí chuyển động khí theo đ−ờng 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 → htt Khi 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 ng−ợc 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 l−ợng áp suất tổn thất. Thực tế, nhiệt độ khí khi đó tăng lên rất ít (chỉ vài phần của độ) và coi nh− không tăng. Do đó áp suất tổn thất làm giảm dự trữ năng l−ợng của áp suất tĩnh học. Từ ph−ơng 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 th−ờng sự chuyển hóa áp suất xãy ra khi có sự thay đổi tiết diện kênh dẫn. 1.5 Sức cản (trở lực) của dòng khí. Khi dòng khí chuyển động thẳng trong kênh thẳng có tiết diện không đổi thì năng l−ợng của dòng khí phải tiêu tốn một ít do khí ma sát vào t−ờng, vào kênh… Khi tiết diện kênh thay đổi nh− co hẹp hay ở rộng, hoặc thay đổi chiều h−ớng chuyển động (quay vòng) hay có một cản trở nào đó trên đ−ờng đi của dòng khí, đều xuất hiện trồớ lực phụ và dòng khí phải tiêu tốn năng l−ợng để khắc phục trở lực đó. Trở lực này xuất hiện làm cho tốc độ dòng khí phải phân bố lại theo tiết diện ngang, đồng thời tạo ra các dòng xoáy phụ dẫn đến tiêu tốn năng l−ợng. 9 Nh− vậy trên đ−ờng đi của khí vào kênh ( ống hay t−ờng) và có. - Sức cản do ma sát của khí vào kênh (ống hay t−ờng) và sức cản này xuất hiện trên toàn bộ đ−ờng đi của khí trong kênh dẫn ở mọi tiết diện và chiều h−ớng khác nhau. - Sức cản địa ph−ơng 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 h−ớng đi... Tuy nhiên bên cạnh hai dạng sức cản trên còn có dạng sức cản khác do áp suất hình học tạo nên. Tr−ờng hợp này chỉ xảy ra khi chuyển khí nóng theo đ−ờng ống xuống phía d−ới nghĩa là ng−ợc 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 l−ợng chuyển vận khí và nó phải phụ thêm vào áp suất tĩnh học và áp suất tĩnh học là năng l−ợng của dòng khí chuyển động. Vì thế nếu áp suất hình học là sức cản thì phải đ−a vào tổng sức cản của hệ thống, ng−ợc lại nếu đó là năng l−ợng chuyển động thì nó sẽ giảm sức cản của hệ cho nên tổng sức cản của hệ sẽ bằng: htt = ∑hms + ∑hdf ± ∑hhh (1-30) hms - sức cản do ma sát hđf - sức cản địa ph−ơng (cục bộ). hhh - áp suất hình học Đơn vị đo bằng N/m2 hoặc mm H2O. 1.5.1. Sức cản do ma sát. Sức cản do ma sát có trên suốt đ−ờng 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 đ−ờng kính của kênh đó: hms = β d L . 2 W 2o .ρo 273 t273+ , [N/m2] (1-31) Trong đó: 2 W 2o .ρo 273 t273+ = htđ β- hệ số ma sát, nó phụ thuộc vào trạng thái bề mặt của kênh dẫn và chế độ chuyển động của khí tức là phụ thuộc vào chuẩn số Re. L - Chiều dài kênh dẫn khí, [m] d - Đ−ờng kính kênh dẫn khí, [m]. Khi chuyển động dòng: β = Re 64 ; Re = ν d.W (1-32) W - tốc độ dòng khí. [m/s] ν - độ nhớt động của khí [m2/s] d - đ−ờng kính qui đổi (đ−ờng kính thủy lực) của kênh dẫn khí. 10 d = C F4 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 h−ởng 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 = 25,0Re 3164,0 (1-33) Trong đó kim loại xù xì: β = 12,0Re 129,0 (1-34) Trong ống xây bằng gạch β = 12,0Re 175,0 (1-35) Khi độ xoáy của dòng tăng cao, độ gồ ghề của kênh có ảnh h−ởng rất nhiều đến hệ số cản. Khi đó hệ số cản không phụ thuộc vào chuẩn số Re nữa mà chỉ phụ thuộc vào độ gồ ghề của mặt kênh. β = 0,19 3 ε (1-36) ε = d K - Độ gồ ghề t−ơng đối của mặt kênh. K - Chiều cao trung bình của lớp gồ ghề của mặt kênh dẫn, [mm]. d - Đ−ờng kính của kênh dẫn, [mm] Đối với các ống, ta có trị số K sau: ống kim loại mới K= 0,04 - 0,17 ống gang mới K= 0,21 - 0,42 ống kim loại bẩn K= 0,75- 0,90 Kênh gạch K= 0,80 - 6,0 Gần đúng, trị số ε có thể lấy giá trị sau: ống kim loại mới ε = d 5,0 Kênh gạch ε = d 3 11 Khi tính toán lò nung và lò sấy, hệ số cản do ma sát của không khí hay khói lò có thể dùng công thức gần đúng β = m d L và m đối với: Kênh gạch m = 0,05 ống kim loại không bị oxy hóa m = 0,025 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 l−ợng bụi trong khí cũng có ảnh h−ởng. Hệ số ma sát kể đến ảnh h−ởng này có dạng: )1(, àββ += và à hàm l−ợng bụi trong khí, [kg/ kg] Lúc này phải chú ý đến sự thay đổi khối l−ợng riêng của khí khi chuyển động. ρok khối l−ợng thể tích của khí ở điều kiện chuẩn C nồng độ bụi trong khí [ kg/m3] 1.5.2. Sức cản địa ph−ơng (cục bộ). Khi thay đổi hình dạng hình học của ống dẫn (mở rộng, thu hẹp, chỗ uốn, gấp khúc . . .) thì tốc độ, chiều h−ớng 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 l−ợng của khí chuyển động và để tiện tính toán ng−ời ta th−ờng biểu diễn phần tổn thất năng l−ợng này bằng một phần nào đó của áp suất tốc độ xác định theo ph−ơng trình: hdf = ξhtd = ξ g Wt 2 2 ρt = ξ 2 W 2o ρo ( 273 273 t+ ) , [ mm H2O] (1-37) t - Nhiệt độ của khí [oC] ξ - Hệ số cản địa ph−ơng Tr−ờng hợp đột mở có thể sử dụng công thức gần đúng tính hệ số cản xác định theo công thức của Borde - Karno: ξ = (1 - 2 1 F F )2 (1- 38) Nếu khí chuyển động dòng thì tỷ lệ max tb W W = 0,5. Trong tr−ờng F2 >>F1 hay ( 2 1 F F 0) hệ 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 max tb W W = 0,84, và dòng chuyển động trong ống phẳng ξ = 1,15, nếu max tb W W = 0,9 và ( 2 1 F F = 0) thì ξ = 1,06. Nếu phân bố tốc độ không đối xứng, nh− khi ngoặt đ−ờng ống hay gốc mở của ống loa quá lớn ξ = 3,7. 12 Tr−ờng hợp đột thu, hệ số cản phụ thuộc vào tỷ lệ F2/F1 và hình dáng của khu vực thoát khí nh− trong tr−ờng hợp hình vẽ trên, hệ số cản xác định theo công thức: ξ = 0,5 (1 - 1 2 F F ) (1-39) Nếu cạnh mép của lỗ ống thu hẹp đ−ợc gia công tròn đi, không sắc nh− hình trên, thì dòng khí sẽ đều đặn hơn, giảm đ−ợc khu vực cắt dòng, xoáy dòng và hệ số cản giảm xuống còn ξ = 0,1 (1- 1 2 F F ). Tr−ờng hợp thay đổi chiều của dòng tổn thất áp suất cũng tính theo công thức: hdf = ξ g2 W 201 ρo (1 + 273 1 t ) , [mm H2O] Hệ số ξ phụ thuộc vào góc quay αo , bán kính trong của mép R, tỷ lệ tiết diện ống dẫn F2/F1, hình dạng tiết diện ống dẫn chữ nhật (h/b), vị trí quay, mức độ gồ ghề của kênh khí và chuẩn số Re. Ví dụ góc quay α = 90o, mép sắc đối với tiết diện chữ nhật nh−ng tỷ lệ chiều cao với chiều rộng b h = 0,25, t−ờng gồ ghề thì ξ = 1,86, khi b h = 4 thì ξ = 1,35. Tr−ờng hợp dòng khí có hình chữ Z , t−ờng nhẫn thì ξ có giá trị khác nhau khi khoảng cách ngoặt khác nhau. Nếu b 1 nhỏ thì ξ có giá trị nhỏ và tăng đến ξ =4,22 khi b 1 = 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 nh− nhau, giá trị ξ phụ thuộc vào tỷ lệ b 1 . Khi b 1 = 0 thì ξ = 3,6. Tăng tỷ lệ b 1 đến (1 - 1,2) thì ξ = 1,2. Nếu tăng tiếp b 1 trị số ξ tăng mạnh và khi b 1 = 2,4, ξ = 2,3. 1.5.3. Một số phép tính đặc biệt. Trong công nghiệp lò nung và lò sấy, khí chuyễn động th−ờng có trao đổi nhiệt. Cho nên khi tính toán sức cản do ma sát ở khu vực đó ta dùng công thức sau: hms = β 2 W d L 20 ρo 273 t273 + ( 1. 2 + k t T T ) , [N/m2 ] (1-40) L,d : chiều dài và đ−ờng kính thủy lực đoạn kênh tính, [m]. t: nhiệt độ của khí, [oC]. Tt , Tk : nhiệt độ t−ờng kênh (ống dẫn) và của khí [oK]. Nếu khí có nhiều bụi, thì khi tính toán sức cản ta dùng hệ số cản nh− sau: βms = β (1 + à) (1-41) 13 βdf = ξ (1 + 0,8à) (1-42) à hàm l−ợng bụi trong khí , [kg/Kg]. Do lắng bụi ở những phần đặc biệt của đ−ờng ống, cho nên khi tính toán sức cản thủy lực để lựa chọn quạt cần phải lấy dự trữ áp suất 20%. Trở lực của lớp vật liệu xếp trên xe goòng lò nung tuynnen đ−ợc xác định hx = ξ 273 273 2 0 2 0 tbt g W +ρ [mH2O] (1-43) ξ Hệ số cản của lớp xếp (0,4 – 0,5)l 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 đ−ợc xếp thành các rãnh dẫn khí song song với trục lò: hx = ξ 273 273 2 0 2 0 tbtl g W +ρ , [mH2O] Trong đó l là chiều dài lớp vật liệu , [m] ξ - Hệ số cản, đối với kênh thẳng ξ = 5,100127,0 d (1-44) d - Đ−ờng kính thủy lực của các kênh lớp xếp, m Khi xác định sức cản của lớp vật liệu dạng hạt nh− lớp than trong lò khí hóa, lớp clinker, dolomit hay vôi trong lò chúng ta dùng công thức sau: hlớp = ξl 2 W d H 20 1d ρo ( 273 273 tbt+ ) , [N/m2 ] (1-45) ξ 1 - Hệ số cản của lớp vật liệu, nó phụ thuộc vào dạng vật liệu và chuẩn số Re xem hình (1-9). nh 1-9 : Hệ số cản của lớp vật liệu theo Re. 1- Aglopôrít (đ−ờng kính hạt 12 - 82mm) 2- Vôi ( 14 ữ100mm) 3- Than Kok ( 14 ữ 100mm) 4- Aglôpôrít từ lò quay 14 ữ 52mm ) ĐếN ĐÂY H- Chiều cao lớp vật liệu, [m] H ệ s ố c ản 14 d- Đ−ờng kính trung bình của hạt, [m] ρo - Khối l−ợng thể tích của khí [Kg/m3] Wo - Tốc độ khí ở O o 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 th−ớc và hình dáng không giống nhau có thể xác định: ξl = l)1 Re 15 Re 75 ( 2,4 53,1 ξ∆+++ (1- 46) f- Hệ số rỗng của lớp (xem bảng 1-1) f = vl o1v ρ ρ−ρ ρv1- Khối l−ợng riêng của vật liệu. [Kg/m3] ρo - Khối l−ợng thể tích vật liệu , [Kg/ m3] Chuẩn số Re xác định theo công thức: t 1dt 1 dW . f)f1( 45,0 Re ν−= (1-47) Wt = ) 273 t273 (Wc + [m/s] dđ1 = n n 2 2 1 1 n21 d G ... d G d G G...GG ++ +++ [m] (1-48) G1,G2 ,... ,Gn- Khối l−ợng các phần hạt (Kg) ứng với đ−ờng kính của các hạt d1, d2 , ... , dn νt- Độ nhớt động học [m2/s ], và ∆ξ 1- Gia số ∆ξ 1 = tb vr t273 tt 2 + − (1-49) tr- tv - Hiệu số nhiệt độ của khí lúc ra và vào [ oC]. ttb- Nhiệt độ trung bình của khí [ oC]. Bảng 1-1 Vật liệu Đ−ờng kính hạt mm Hệ số rỗng f Phối liệu ximăng dạng hạt 3 - 10 0,42 - 0,48 Clinker cement 3 - 50 0,46 - 0,51 Sỏi 40 - 45 0,38 - 0,39 Agloporit 10 - 30 0,46 - 0,49 Quặng 0,8 - 1,1 0,58 - 0,59 Vôi, thạch cao 1,2 + 3,1 0,34 - 0,39 Bi kim loại 1,8 - 4,9 0,38 - 0,50 Sức cản thủy lực của lớp vật liệu có thể xác định bằng công thức sau: 15 h1 = ξl 2 W0 ρo ( 273 t273 + ) , [N/m2] (1-50) Wo- Tốc độ khí ở O oC ứng với toàn tiết diện của lò đứng m/s ξ l- Hệ số cản của lớp. Đối với hạt tròn và chuyển động dòng Re < 7 ξl = cd H. Re 2056 (1-51) H: Chiều cao lớp liệu, [m] dc: Đ−ờng kính trung bình phân loại cục, [m] và dc = ∑ dG 1 , [m] trong đó: G phần trọng l−ợng theo cở hạt, d: đ−ờng kính cục theo các cở hạt, tính theo đ−ờng kính trung bình của mắt sàng để cục lọt qua, [m] Khi chuyển động xoáy Re > 7 ξl = 08.0Re 46 Re 1800 + (1-52) Công thức trên ứng với f = 0,4 (thông th−ờng 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 2.02,18,0 )( tWdf H ν (1-53) H – Chiều cao lớp vật liệu hạt cần tính trở lực, [m] .f – hệ số rỗng. νt- Độ nhớt động của khí, [ m2/s] d- Đ−ờng kính quy đổi của hạt. d = f1 f d 3 2 k − [m] (1-54) dk- Đ−ờng kính hạt vật liệu. ξl = a n tW H (1-55) a, n - Hệ số phụ thuộc vào kích th−ớc 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 Đ−ờng kính trung bình của hạt, Số 1 2 4 6 10 15 20 .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 16 Sức cản của lớp than trong lò khí hóa đ−ợc xác định tùy theo kiểu ghi lò, c−ờng độ khí hóa và th−ờng có giá trị nh− sau: Than đá, antracit, kok, khi c−ờng độ khí hóa. 150Kg/m2.h 800 - 1500N/m2. 250Kg/m2.h 300N/m2. Sức cản của lớp than trên ghi đốt phẳng khi đốt antracit không phân loại 1000N/m2, có phân loại 800N/m2, than đá và nâu 500N/m2. Có thể dùng công thức sau: h = m ( F B )2 , [mH2O] (1-56) B- L−ợng than trung bình để đốt [kg/h]. F- Bề mặt của ghi đốt, [m2] m- Hệ số với Than nâu: 0,001 - 0,0015. Than đá không kết khối: 0,0003 đến 0,0005. Antracit : 0,001 ữ 0,002 Cám antracit: 0,01 - 0,015 Khi thay đổi nhiệt độ ở lớp vật liệu dạng hạt trong tr−ờng hợp đốt nóng và làm nguội chúng, hệ số cản xác định theo công thức: ξt = ξ + 2 2 tt 273 tt dc dc −+ − (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: Wo = 2 s 0 D 4.V π Vo- Lực l−ợng khí, [m3/s] Ds- Đ−ờng kính của xyclon . DS = n W222 V t t Vt- L−u l−ợng khí ở nhiệt độ t, [m3/h] Wt- Tốc độ khí ở ống thoát 18 ữ 22m/s Sức cản của xyclon tính theo công thức: hs = 2 W 20' sξ ρ0 (1+à) , [N/m2] (1-58) Sức cản của một nhóm xyclôn lớn hơn một xyclon 10%. Tính sức cản của xyclôn dùng công thức: hs = 2 W 2' s νξ ρt ( 273 t273 + ) , [N/m2 ] (1-59) 17 à- Hàm l−ợng bụi trong dòng khí lúc vào Siklon Kg/Kg . ξ s - Hệ số cản của Siklon. Sức cản thủy lực của tầng sôi xác định theo công thức: hts=9,81Cρbk H1 (1- f), [N/m2] (1-60) C- Hệ số kể đến các lớp tuần hoàn, với chế độ dòng.C= 1,0 và xoáy C = 0,95 ρbk - Mật độ biểu kiến của vật liệu, [Kg/m3] H1- Chiều cao của lớp, [m] f- Hệ số rỗng ở trạng thái tỉnh. Tổn thất áp suất trong lò sấy ống khí nâng vật liệu lên một đoạn H (chiều cao của ống) có thể xác định theo công thức sau: htt = 9,81 H àtb ρtb , [N/m2] (1-61) Tổn thất áp suất khi phân ly hạt trong lò sấy ống hp = àtb ρtb 2 W 2tb [N/m2] (1-62) Nồng độ trung bình àtb của vật liệu trong lò sấy ống xác định theo công thức: àtb = )nL(5,0G m5,01G kkK ++ − [Kg/Kg] (1-63) G1- Khối l−ợng vật liệu khô đi vào lò sấy Kg/h Gk- khối l−ợng động lực sấy khi vào lò sấy ống, Kg/h Lkk- L−ợng không khí hút theo vào lò sấy ống, Kg/h n- L−ợng hơi ẩm bốc hơi trong lò sấy, Kg/h. Sức cản của đệm buồng hồi nhiệt xác định theo công thức: hhn = ξhn l 2 W 20 ρ0 ( 273 t273 + ) , [N/m2] (1-64) l- Chiều dài đ−ờng đi của khí, [m] ξ hn- 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- Đ−ờng kính thủy lực của kênh trong đệm, m Wo- Xác định ứng với tiết diện sống của đệm khi khối l−ợng thể tích của nó là ρo. Sức cản của đệm có thể dùng công thức: 18 hhn = n 2 W d 171,0 20 25,0 ρo ( 273 t273 + ) , [N/m2] (1-67) n- Số dãy gạch đệm n = b H 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 W2tb g N/m2 (1-68) L- Chiều dài lớp xếp vật liệu nung, m Wtb- Tốc độ trung bình của khí qua tiết diện sống của lò, m/s g- Gia tốc trọng tr−ờng. ξ g- Hệ số cản của lò gốm. ξg = 2n 1 S ) a nF F1,1 ( ∑ (1-69) Ff- Tiết diện sống của toàn lớp vật liệu xếp trong lò, m 2. n, S Số kênh và tiết diện ngang của mỗi kênh, m2. a- Hệ số cản của kênh 0,012 ữ 0,015 K- Hệ số kinh nghiệm K = 0,075 ữ 2,4. 1.6 Thông gió trong lò. Chuyển động khí trong lò có ảnh h−ởng nhiều đến điều kiện trao đổi nhiệt, sự phân bố nhiệt độ, áp suất cũng nh− đến sức cản của dòng khí chuyển động và những đặc tính khác. ở lò phòng nung gốm hay lò nấu thủy tinh, khí chuyển động chậm hơn so với 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 c−ỡng bức. Đ−a khí vào hay thải khí ra khỏi lò nung, lò sấy hoặc các thiết bị nhiệt khác đ−ợc tiến hành bởi thiết bị thông gió. Có hai ph−ơng pháp thông gió: nhân tạo và tự nhiên. ở ph−ơng 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 đ−a 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 đ−ợc thành lập do áp suất hình học tạo ra. áp suất này phải thắng đ−ợc 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. Nh− 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: 19 ht = (1,2 + 1,4) htt [N/m 2] (1-71) Chiều cao của ống khói xác định theo ph−ơng trình: ht = Hg ( k t kk t ρ−ρ ) - β )273 t273 ( 2 tbW D H tb 0 2 0 tb +ρ - - ξ 2 W 2om ρo ( 273 t273 m+ ) [N/m2] (1-72) H- chiều cao ống khói , m k t kk t ,ρρ - khối l−ợng riêng của không khí và khói lò ở nhiệt độ t, Kg/ m3 . β - Hệ số ma sát của khí vào thành ống khói. ống gạch β =0,035ữ0,05. ống kim loại β =0,025ữ 0,03. ξ = (1,06- 1,15) Dtb -Đ−ờng kính trung bình của ống khói. Dtb = 2 DD nn + m (1-73) Dn - Đ−ờng kính nền ống khói, m Dm Đ−ờng kính miệng ống khói, m Dn = 1,5Dm (1-74) 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 đ−ờng kính miệng ống khói Dm, ta chọn Wom trong khoảng (4ữ5 )m/s. Tốc độ không đ−ợc nhỏ hơn 2m/s, vì nếu nhỏ hơn thì không khí dễ lọt qua miệng ống khói vào lò. Cũng không đ−ợc v−ợt 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 ph−ơng do khí qua miệng ống khói ra ngoài trời. Nếu biết l−u l−ợng khí Vok ở điều kiện chuẩn m3/s thì ta dễ dàng xác định đ−ờng kính miệng ống khói theo công thức sau: 4 D2mπ = ok ok W V (1-75) Nhiệt độ khí ở nền ống khói tính theo độ hạ nhiệt độ trong kênh lò. Nhiệt độ khí ở miệng ống khói tm xác định trên cơ sở nhiệt độ khí ở nền ống khói, cứ 1m chiều cao của ống khói bằng gạch hạ đi 1ữ1,5oC/m và ống khói kim loại hạ đi 2ữ3 oC/m. ống khói bằng thép không lót gạch chịu lửa bên trong ∆t = M 2 , [oC] ống khói bằng thép lót gạch chịu lửa bên trong 20 ∆t = M 8.0 , [oC] ống khói xây bằng gạch có chiều dày >0.5m ∆t = D 2.0 , [oC] Nhiệt độ trung bình của khói trong ống khói: .ttb = 2 mn tt − Vì ch−a biết chiều cao H của ống khói nên ta phải giả thiết, rồi sau đó ta kiểm tra lại. Có thể lấy gần đúng chiều cao H bằng biểu đồ hình 1-1. Hình 1-11 : Chân không thành lập bởi ống khói khi nhiệt độ không khí oC Vài điều cần l−u ý: - Theo yêu cầu vệ sinh và phòng hỏa chiều cao ống ống khói không đ−ợc nhỏ hơn 16m và phải cao hơn mái nhà cao nhất ở phạm vi bán kính độc hại nh− 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 l−u l−ợng khí bằng tổng l−u l−ợng của hai lò. D−ới chân ống khói phải có t−ờng 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 th−ờng sử dụng quạt t−ơng 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 l−u 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 nh− nhau. N hi ệt đ ộ k hó i lò C Chiều cao ống khói , m 21 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 v−ợt quá 150oC thì phải làm nguội ổ bi, khi trên 300oC thì phải làm nguội cả trục bằng n−ớc. Nếu khí có nhiệt độ cao, thì trên đ−ờng 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 h−ớng trục. Đa số tr−ờng hợp ta dùng quạt ly tâm. Quạt h−ớng trục chỉ tạo ra áp suất thấp (340 ữ 400)N/m2 và dùng để chuyển một l−u l−ợng 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 t−ơng ứng. Giản đồ này gồm 2 phần, phần d−ới 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 đ−ờng ứng với số hiệu của quạt, từ giao điểm này gióng ng−ợc lên gặp đ−ờng kéo ngang là áp suất cần thiết. Tại giao điểm cuối cùng đó ta sẽ đ−ợc ηq và chỉ số A. Nh− vậy có thể sử dụng quạt này hay quạt khác, nh−ng 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 th−ờng hệ số tác dụng hữu ích của quạt nằm trong khoảng (50 -70)%. Số vòng quay cần thiết của quạt: n = oN A , [vòng/phút] (1-85) No số của quạt - phụ thuộc vào đ−ờng kính của quạt. Công suất ở trục động cơ điện có thể xác định theo công thức sau: Nđc = KW hV cq tt ηη ..1000.3600 (1-86) Vt - L−u l−ợng 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/m 2. 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 đ−ợc xác định đối với không khí ở 20oC (ρ = 1,2kg/m3). Khi sử dụng quạt để hút khói lò chẳng hạn, khối l−ợng riêng của khí ρk khác nhiều với khối l−ợng riêng của không khí. Do đó áp suất để tính toán và lựa chọn quạt sẽ bằng: 22 ht = k tt 2,1.h ρ N/m 2 (1-87) htt - Toàn bộ sức cản thủy lực đã kể đến dự trữ (20 ữ 40)%. Nếu sử dụng quạt hút, gió phải thổi ra ống khói có độ cao không đ−ợc nhỏ hơn 16m với tốc độ (10 ữ 20)m/s. Nhiệt độ khí thải phải trên 100oC để tránh hiện t−ợng ng−ng tụ hơi n−ớc của khói lò. Công suất động cơ điện thực tế: N = K . Nđc (1-88) K - Hệ số dự trữ kể đến công suất khởi động. Hệ số này phụ thuộc vào công suất ở trục động cơ Nđc. Công suất ở trục động cơ đến 0,5 K = 1,5 - - 0,5 ữ 1 K = 1,3 - - 1 ữ 2 K = 1,2 - - 2 ữ 5 K = 1,15 - - > 5 K = 1,1 Khi thay đổi số vòng quay thì năng suất, áp suất và công suất sẽ thay đổi theo định luật: 2 1 2 1 n n V V = , 2 2 2 1 2 1 n n h h = , 3 2 3 1 2 1 n n N N = (1-89) Chú ý trong cùng một mạng thông gió cho tr−ớc khi thay đổi số vòng quay của quạt ta sẽ có: 2 00 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= V V h h suy ra h = 22 0 0 V V h = KV2, .h và h0 : Tổn thất của mạng ở điều kiện mới và điều kiện ban đầu. 1.6.2 Ph−ơng pháp đặt quạt. Trong công nghiệp lò ta th−ờng gặp một quạt phục vụ cho hệ hoặc nhiều hệ thống lò. Trong tr−ờng hợp đó quạt gió phải có thông số nh− thế nào cho thích hợp. Chúng ta hãy khảo sát sơ đồ một quạt dùng cho 4 lò nh− 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 23 Hình 1-12 : Sơ đồ quạt dùng cho 4 lò Nh− 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. L−u l−ợng khí cần thiết của quạt sẽ bằng tổng l−u l−ợng của các mạch (tức 4 lò ở sơ đồ trên) Tr−ờng 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 l−ợng khí vận chuyển theo tính toán Vt [m3/h], vì l−ợng không khí lọt vào nên l−u l−ợng khí thực là Vthực [m3/h]. Do đó tốc độ khí tăng lên η lần. η = t thực V V (1-90) và sức cản của hệ tăng lên η2 lần: hthực = ht. η2 [N/m2] (1-91) Khi thiết kế nên chọn tốc độ khí W3 [m/s] nh− sau: ống dẫn khí 8 - 12 Kênh khói lò nổi (trên mặt đất) 1,5 - 3,0 Kênh khói lò ngầm (d−ới mặt đất) 1 - 2,5 ống dẫn khí nguội 10 - 12 ống dẫn khí nóng 2 - 3 Tr−ờng 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 đ−a 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. 24 Hình 1-13 : Sơ đồ mắc quạt song song và nối tiếp. Trong tr−ờng hợp a, b, c ta có kiểu mắc quạt song song, tr−ơng hợp d gọi là mắc quạt nối tiếp. Đặc tính của mạng gồm 2 quạt nh− nhau mắc song song đ−ợc khảo sát trong hình 1-14. Đ−ờng 1 đặc tr−ng của một quạt làm việc, đ−ờng 2 đặc tr−ng của hai quạt đồng thời làm việc đ−ờng 3 là đ−ờng đặc tr−ng 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 l−u l−ợng của mạng thì tổng thất áp suất của mạng cũng biến đổi và biến đổi theo đ−ờng parabol (đ−ờng 3). Vì vậy năng suất của mạng phụ thuộc vào điểm cắt a`2 của đ−ờng 2 và đ−ờng 3. Điểm a`2 chỉ rằng năng suất của mạng tăng lên n = 1 21 V VV + lần và áp suất của mạng tăng từ h1 đến h2. Trong điều kiện có mỗi quạt sẽ có năng suất 1 21 V VV + và áp suất là h2. Hệ số tác dụng hữu ích của mỗi quạt sẽ nhỏ hơn hệ số tác dụng hữu ích cực đại. Nếu không thay đổi sức cản của mạng tức h1 = const thì điểm a2 sẽ chuyển đến a2, năng suất của mạng sẽ tăng gấp đôi. .Trong tr−ờng hợp cần tăng áp suất của mạng và duy trì năng suất không đổi thì có thể dùng cách mắc nối tiếp hai hoặc nhiều quạt. Khi lựa chọn cần căn cứ theo giản đồ ở hình 1-15. Mắc nối tiếp hai quạt thì mỗi quạt sẽ làm việc ở áp suất 2 hh 21 + và năng suất mỗi quạt chính là năng suất của cả mạng (điểm a2). Nh− vậy tức là ở mạng nối tiếp mỗi quạt sẽ làm việc với l−u l−ợng cao hơn và áp suất thấp hơn so với tr−ờng hợp nó làm việc độc lập. Còn ở tr−ờng hợp mắc song song thì quan hệ đó lại ng−ợc lại. Hình 1-4 : Đặc tính mạng Hình 1-15 :Đặc tính mạng quạt song song quạt nối tiếp (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, l−u l−ợng 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 ph−ơng án đặt quạt. Vấn đề quan trọng cần duy trì chế độ áp suất trong lò nên nh− thế nào để điều kiện làm việc của lò tốt nhất. Lò có thể làm việc d−ới áp suất d−ơng bởi quạt đẩy và đ−ờng biểu diễn áp suất sẽ là hình 10a. Ưu điểm của sơ đồ này là nhiệt độ phân bố t−ơng đối đồng đều. Nh−ợc 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 nhiều nhiên liệu do tổn thất nhiệt theo khí lò ra ngoài. 25 Lò có thể làm việc d−ới áp suất âm bởi thiết bị hút gió (quạt hút hay ống khói) vối đ−ờng phân bố áp suất ở hình10b. Làm việc d−ới áp suất âm, đặc biệt lò dài nh− lò tuyn- nen chẳng hạn, trị số áp suất âm càng phải cao ở zôn đốt nóng. Kết quả không khí lạnh sẽ lọt vào lò qua c ác khe hở, lổ quan sát, cửa đốt. Đặc biệt ở lò tuyn-nen, độ kín của lò t−ơng 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 d−ơng, đầu cuối có quạt hút ta có áp suất âm. Giao điểm áp suất ± 0 khi chuyển áp suất d−ơng sang âm (hình 1-10) nằm ở zôn nung. Với sơ đồ này, áp suất d−ơng 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 nh− 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 đ−ợc l−u l−ợng 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 ng−ời 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 ng−ời 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: m1 : Khối l−ợng khí phun I và m1 = V1 ρ1 Kg/s m2: Khối l−ợng khí hút theo II và m2 = V2 ρ2 Kg/s W1 : Tốc độ khí hút theo II, m/s W2 : Tốc độ khí hút theo II, m/s W3 : Tốc độ hỗn hợp khí m/s Từ ph−ơng trình trên ra rút ra: 21 2211 3 mm WmWm W + += = 2211 222111 VV WVWV +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 t−ơng ứng với ph−ơng trình: 26 Hình 1-16 : Sơ đồ kết cấu vòi phun ξ(h1-h3) = 2 W 21 ρ1 [N/m2] (1-94) ξ - Hệ số tổn thất áp suất khi khí I đi ra khỏi ống phun. Nếu là ống tròn thì ξ = 0,72 - 0,82, ống móp = 0,9 - 0,95. Từ đây ta xác định đ−ợc tốc độ của khí thổi I. W1 = 1 31 )hh(2 ρ ξ− [m/s] (1-95) áp suất khí thổi I cần thiết để tạo ra công hút khí. h1 = ξ2 W 21 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 đ−ờng 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. Nh− vậy áp suất tốc độ của khí hút II bằng chênh lệch áp suất tĩnh học của khí hút II với cổ ống. 2 W 22 ρ2 = h2 - h3 , N/m2 (1-97) Từ đây áp suất tĩnh học của hỗn hợp khí ở cổ ống sẽ bằng: h3 = h2 - 2 W 22 ρ2 (1-98) Trong ống loa một phần áp suất tốc độ biến thành áp suất tĩnh học với hệ số tác dụng hữu ích η = 0,7 - 0,8. Vì vậy, nếu tính áp suất tĩnh học cần thiết để đ−a hỗn hợp khí đi ra khỏi vòi phun và để khắc phục sức cản trên đ−ờng đi của khí từ cổ ống đến điểm thoát có đại l−ợng h4 ta sẽ đ−ợc ph−ơng trình cơ bản để tính toán. h4 - h3 = η 2 W 23 , [N/m2] (1-99) h4 - h3 = η )VV)(VV( )WVWV( 212211 2 222111 +ρ+ρ ρ+ρ , [N/m2] (1-100) vì 11 2211 3 VV VV + += ρρρ [Kg/m3] (1-101) Từ ph−ơng trình trên, ta có thể tìm đ−ợc thể tích của khí phun I, sau đó theo thể tích và tốc độ ở các tiết diện khác nhau của vòi phun chúng ta tìm diện tích của tiết diện. Đ−ờng kính miệng ống loa th−ờng lấy bằng 2,4 lần đ−ờng kính cổ ống: d4 = 2,4 d3 [m] (1-102) 27 Chiều dài cổ ống 12 và khoảng cách từ miệng ống phun đến cổ ống 11 th−ờng lấy nh− sau: 11 = 12 = 1,5 (d3 - d1) [m] Chiều dài ống loa 13 = (7 - 10) d3 hoặc tính theo góc mở của ống: d4 = d3 + 2 13 tg 2 α (1-103) ở đây 2 α = 4 ữ 8o. Khi khí chuyển động từ d−ới lên, bản thân vòi phun tạo ra một áp suất hình học, vì vậy sẽ làm tăng áp suất chung của vòi phun. Những tính toán trên đây không kể đến dãn đẳng nhiệt của khí phun I. Cho nên với sai số không lớn lắm 1 - 3%, có thể dùng để tính toán với áp suất khí không quá 10.000 N/m2. Vòi phun trong lò nung tuyn-nen có thể tính theo công thức của Baulin: htt = htd ( 2 .−t x x x 2 − ) N/m2 (1-104) htt - sức cản trên đ−ờng 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/m 2. x - tỷ lệ tiết diện cổ ống loa và miệng ống phun I xt−- tỷ lệ tối −u của hai tiết diện trên ứng với hệ số tác dụnhg hữu ích lớn nhất của vòi phun. xt− = (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 l−ợng không khí hút theo II với khối l−ợng không khí phun I hoặc tỷ lệ thể tích của chúng ở Oo. à - tỷ lệ mật độ (khối l−ợng riêng) của khí hút theo II và không khí phun I. 28 Ch−ơng 2 Trao Đổi Nhiệt Trao đổi nhiệt là hiện t−ợng 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 t−ơng hổ của năng l−ơng nhiệt và năng l−ợng bức xạ. Quá trình nung vật liệu trong các lò nung đều xãy ra 3 ph−ơng thức trao đổi nhiệt: dẫn nhiệt, đối l−u và bức xạ. Tùy vào điều kiện cụ thể của các giai đoạn trong quá trình nung mà ph−ơng thức này là chủ yếu, ph−ơng thức kia là thứ yếu. Nung ở nhiệt độ (500 – 600)oC trao đổi nhiệt chủ yếu là đối l−u, khi tăng quá 1000oC thì bức xạ chiếm vai trò chủ yếu. Còn trao đổi nhiệt dẫn nhiệt th−ờng 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 đ−ợc tích lũy những phần năng l−ợng 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 ph−ơng 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. 29 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 l−ợng khác nhau, thì giữa chúng có sự phân bố lại năng l−ợng 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 tr−ờng khí và lỏng nếu chất khí và chất lỏng đó ở trạng thái đứng yên hay chuyển động dòng ( chuyển động lớp). Tr−ờng nhiệt độ ( nhiệt tr−ờng ). 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 tr−ờng gọi là tr−ờng nhiệt độ. Nhiệt độ tại một điểm bất kỳ của vật thể phụ thuộc vào vị trí của điểm đó trong không gian nh−ng đồng thời nó cũng nhận những giá trị khác nhau tại những thời điểm khác nhau ( phụ thuộc vào thời gian ). Nh− vậy, tr−ờng nhiệt độ là một hàm số của không gian và thời gian: .t = f ( x,y, z, τ ) Nếu tr−ờng nhiệt độ chỉ biến đổi theo không gian và không thay đổi theo thời gian gọi là tr−ờng nhiệt độ ổn định. .t = f ( x,y, z ) Nếu tr−ờng nhiệt độ biến đổi theo không gian, thời gian gọi là tr−ờng nhiệt độ không ổn định. .t = f ( x,y, z, τ ) Mặt đẳng nhiệt. Tr−ờng nhiệt độ bao gồm tất cả những điểm của vật thể có nhiệt độ khác nhau, nh−ng trong đó cũng có những điểm có nhiệt độ giống nhau. Tập hợp tất cả những điểm có nhiệt độ giống nhau trong tr−ờng nhiệt độ sẽ tạo thành một mặt gọi là mặt đẳng nhiệt. Đối với một vật, các mặt đẳng nhiệt đ−ợc 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: grad t = lim dn dt n t =∆ ∆ (2-1) ∆n 0 Vậy građian nhiệt độ thể hiện nhiệt độ biến thiên ở một điểm cho tr−ớc trên vật thể có trị số bằng độ biến thiên nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài theo ph−ơng pháp tuyến với mặt đẳng nhiệt. Khi grad t = 0 tr−ờng 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. 30 Grad t là một đại l−ợng vectơ, cùng ph−ơng với ph−ơng pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt nh−ng ng−ợc chiều với chiều dòng nhiệt. Việc thêm dấu trừ trong công thức Fourier d−ới đây nói lên rằng dòng nhiệt sẽ truyền theo h−ớng nhiệt độ giảm. 2.1.2 Định luật Fourier. Nhiệt l−ợng nguyên tố dQ dẫn qua một nguyên tố bề mặt dF trong thời gian dζ tỉ lệ thuận với građian nhiệt độ, với đại l−ợng bề mặt và thời gian. dQ = - λ dn dt dF.dζ , [j] (2-2) λ- Hệ số dẫn nhiệt đ−ợc coi nh− 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 l−ợng dẫn đi trong vật thể. [j] Đối với t−ờng 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 ph−ơng trình truyền nhiệt sau: Q = .)( 21 Ftt −σ λ (2-3) Nếu δ = 1m, t1 - t2 = 1oC, F = 1m2 thì Q = λ Từ đây ta có độ dẫn nhiệt chính là c−ờng độ của dòng nhiệt đi qua 1m2 bề mặt khi chênh lệch nhiệt độ là 1oC trên đ−ờng đi của nó. Đại l−ợng độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào bản chất của vật thể, nhiệt độ và th−ờng 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 Tên vật liệu Khối l−ợng thể tích ρ, Kg/m3 Nhiệt dung riêng Kj/Kg.độ Độ dẫn nhiệt λ W/m.độ Samốt 1800-2200 0.84+0.264.10-3 0.7+0.64.10-3t Dinas 1700-2000 0.80+0.336.10-3 0.84+0.76.10-3t Cao Alumin 3000 0.84+0.252.10-3 1.69-0.23.10-3t Mulit 2160-2900 1.10+0.252.10-3 2.29+1.70.10-3t Zircon - 0.55+0.125.10-3 1.3+0.64.10-3t Manhedi 2600-2700 0.95+0.252.10-3 6.17-2.68.10-3t Crôm-Manhêđi 2900-3000 0.755+0.151.10-3t 2.0-0.35.10-3t Carborun 2100-2500 0.96+0.146.10-5t 9.3+1.75.10-3t Gạch đỏ 1750-2100 0.837+0.264.10-5t 0.47+051.10-3t Beton 2400 0,605 0.92 Samốt nhẹ 1000 - 0.28+23.10-3t Dinas nhẹ 1100 - 0.58+43.10-5t 31 Gạch diatomit 500-700 0.837-0.92 0.17+35.10-5t Carton amiăng 900-1200 - 0.157+0.14.10-3t Bột amiăng 800 0.31 0.106+0.18.10-3t 2.1.3 Truyền nhiệt qua t−ờng phẳng 1 lớp và nhiều lớp. Trong công nghiệp lò chúng ta th−ờng gặp t−ờng 1 lớp vật liệu và t−ờng 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 tr−ờng xung quanh. T−ờng lò nung hay các thiết bị nhiệt khác làm việc ở nhiệt độ cao th−ờng 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 t−ờng 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 t−ờng δ, bề mặt F (m2) tacó công thức dòng nhiệt: Q = σ λ (t1 - t2) F , [W] C−ờng độ dòng nhiệt q = F Q = σ λ (t1-t2) , [W/m 2] (2-4) Đối với t−ờng gồm 3 lớp vật liệu khác nhau có nhiều dày δ1, δ2, δ3, với độ dẫn nhiệt t−ơng ứng λ1, λ2, λ3, nh− trong hình 2-1, dòng nhiệt q có chiều đi từ mặt có nhiệt độ t1 tới mặt có nhiệt độ t4 khi t1 > t4. Với chế độ nhiệt ổn định, l−ợng nhiệt đi qua 3 lớp đều bằng nhau tức là: q = 1 1 σ λ (t1-t2) [W/m 2] (2-5) q = 2 2 σ λ (t2-t3) [W/m 2] (2-6) q = 3 3 σ λ (t3-t4) [W/m 2] (2-7) Suy ra ph−ơng trình xác định sự biến đổi nhiệt độ của các lớp: t1 - t2 = q 1 1 λ σ (2-8) t2 - t3 = q 2 2 λ σ (2-9) t3 - t4 = q 3 3 λ σ (2-10) Cộng vế với vế ta thu đ−ợc: t1 - t4 = q ( 3 3 2 2 1 1 λ σ+λ σ+λ σ ) (2-11) Từ đây ta có c−ờng độ dòng nhiệt: 32 q = 3 3 2 2 1 1 41 tt λ σ+λ σ+λ σ − , [W/m2] (2-12) Tổng quát đối với t−ờng có n lớp c−ờng độ dòng nhiệt sẽ có dạng: q = i i ntt λ σ∑ − +11 , [W/m2] (2-13) t1 – nhiệt độ lớp t−ờng trong cùng , [oC] t1+ n - nhiệt độ lớp t−ờng ngoài cùng , [oC] i – Số thứ tự của lớp t−ờng n – Số lớp t−ờng 2.1.4 Truyền nhiệt qua t−ờng hình trụ 1 lớp và nhiều lớp. Nguyên tắc truyền nhiệt qua t−ờng hình trụ cũng giống nh− t−ờng phẳng. Điểm khác cơ bản là c−ờng 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 t−ờng 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 c−ờng độ dòng nhiệt qua lớp dr biểu thị bằng ph−ơng trình: q = - λ dr dt [W/m2] (2-14) Q = - λ dr dt F [W] (2-15) Dấu âm trong ph−ơng trình thể hiện sự giảm nhiệt độ theo chiều của dòng nhiệt. Với ống có chiều dài 1m thì F = 2πr , m2 do đó: Q = -λ 2π r dr dt (2-16) Từ đây - dt = r2 Qdr πλ (2-17) Dòng nhiệt đi qua từ r1 đến r2 trong khoảng nhiệt độ từ t1 đến t2 đ−ợc xác định bằng ph−ơng trình tích phân: ∫∫ πλ= 2121 r r t t r2 drQ dt (2-18) Rút ra: t1 - t2 = 1 2 r r n1 2 Q πλ (2-19) Thay bán kính bằng đ−ờng kính ống ta có: t1 - t2 = 1 21 2 d dnQπλ (2-20) 33 Suy ra: .1 2 1 1 2 21 d dn ttQ πλ −= , [W] (2-21) Đại l−ợng: πλ2 1 . 1 2 d d n1 gọi là nhiệt trở của 1m chiều dày ống trụ. Đối với t−ờng trụ có n lớp với nhiệt độ bề mặt là t1 và tn+1 , số đ−ờng kính t−ơng ứng của các lớp dn thì ph−ơng trình sẽ có dạng: Q = n 1n n2 3 21 2 1 1n1 d d n1 2 1 ... d d n1 2 1 d d n1 2 1 tt + + πλ+πλ+πλ − (2-22) Tổng quát: Q = ∑= = + +− ni i i i i n d dn tt 1 1 11 1 2 1 πλ 2.2 Truyền nhiệt bằng đối l−u. 2.2.1 Dòng nhiệt đối l−u. Trong môi tr−ờng chất lỏng và khí vận chuyển nhiệt chủ yếu bằng ph−ơng thức đối l−u. 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 ng−ợc lại từ vật rắn tới chất lỏng ( khí) gọi là quá trình cấp nhiệt. Nguyên nhân trao đổi nhiệt bằng đối l−u 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 l−ợng lớn sẽ chuyển động nhanh hơn khi chúng va chạm vào phân tử có năng l−ợng nhỏ hơn, chuyển động chậm hơn sẽ truyền năng l−ợng cho những phân tử này. Có hai dạng đối l−u: đối l−u tự nhiên và đối l−u c−ỡng bức. Đối l−u tự nhiên là sự chuyển động của chất lỏng (khí) do sự chênh lệch khối l−ợng riêng của các phân tử vật chất ở các vị trí nhiệt độ khác nhau. Ngoài dạng đối l−u tự nhiên ta còn có dạng đối l−u c−ỡng bức, nhờ bơm, quạt gió hay máy nén khí mà chất lỏng hay khí chuyển động. Hiệu quả trao đổi nhiệt bằng đối l−u c−ỡng bức cao hơn nhiều so với đối l−u tự nhiên. Vì vậy nó th−ờng đ−ợc sử dụng trong các thiết bị nhiệt, lò công nghiệp. Nếu dòng khí bị giới hạn bởi t−ờng lò, tốc độ của nó càng gần t−ờng càng giảm. ở ranh giới giữa khí và bề mặt t−ờng 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 l−u. L−ợng nhiệt cấp đi từ vật thể nóng tới vật thể lạnh bằng đối l−u xác định công thức bằng công thức của Newton: Q = αđ1 (t1- t2) F , W (2-23) 34 Hay q = F Q = αđ1(t1- t2) , W/m2 (2-24) αđ1 - hệ số cấp nhiệt bằng đối l−u W/m2.độ. t1 - nhiệt độ vật thể cho nhiệt, oC. t2 - nhiệt độ vật thể nhận nhiệt, oC. F - bề mặt truyền nhiệt, m2. Ph−ơng trình 2-24 có thể viết: Q = 1d 21 1 tt α − F , [W] (2-25) T−ơng tự nh− ph−ơng trình truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt, ở đây 1d 1 α gọi là nhiệt cản khi truyền nhiệt bằng đối l−u. Hệ số cấp nhiệt bằng đối l−u là công suất của dòng nhiệt đi qua 1m2 t−ờng khi chênh lệch nhiệt độ giữa chất lỏng (hoặc khí) với bề mặt t−ờng là 1oC, trong thời gian 1 giây. Đại l−ợng này phụ thuộc vào trạng thái bề mặt, hình dạng của nó, kích th−ớc, nhiệt độ, các thông số lý học của chất lỏng hay khí và chế độ chuyển động. Kích th−ớc hình học có thể biểu thị bằng đ−ờng 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]. Nh− vậy: αd1 = f (d, W, ρ, à, λ, C) , [W/m2.độ] (2-27) Trong kỹ thuật đôi khi ng−ời ta còn dùng độ nhớt động: ν = ρ à [m2/s] Chế độ chuyển động đ−ợc quyết định bởi kích th−ớc ống dẫn khí, tốc độ chuyển động và thông số vật lý của nó và đặc tr−ng bằng chuẩn số Reynolds: Re = ν Wd (2-28) Re < 2300 ta có chế độ chảy dòng Re > 2300 ta có chế độ chảy xoáy. Re = 2300 ta có dòng quá độ. Chế độ chuyển động của khí (hoặc lỏng) có ảnh h−ởng nhiều đến c−ờng độ trao đổi nhiệt. Tốc độ khí càng lớn, bề mặt t−ờng càng nhẵn thì chiều dày lớp giới hạn càng mỏng và c−ờng độ trao đổi nhiệt càng lớn. Vì vậy ở các thiết bị nhiệt muốn c−ờng độ trao đổi nhiệt lớn cần phải có chế độ chuyển động xoáy. 2.2.2 Ph−ơng trình đồng dạng và hệ số αd1. 35 Vấn đề cơ bản là làm sao xác định đ−ợc hệ số cấp nhiệt đối l−u 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 đ−a vào dạng ph−ơng trình chuẩn số. Nhằm mục đích đó, các biến số của ph−ơng trình (2-27) gộp thành nhóm để ta có những chuẩn số. Khi nghiên cứu thiết bị nhiệt ta th−ờng gặp hai loại đồng dạng: Đồng dạng thủy động và đồng dạng nhiệt. Điều kiện đồng dạng thủy động là đồng dạng tr−ờng tốc độ và áp suất. Điều đó có nghĩa là hai hiện t−ợng chuyển vận chất lỏng ví dụ n−ớc hoặc khí chẳng hạn, trong mô hình và thiết bị nghiên cứu sẽ đồng dạng chỉ trong tr−ờng 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 t−ơng ứng. Ngoài ra ở mô hình và thiết bị cùng có những chuẩn số nh− 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 tr−ờng nhiệt độ, nghĩa là nhiệt độ ở các điểm t−ơng ứng của mô hình và thiết bị cần phải có tỷ lệ nh− nhau. Mặt khác các chuẩn số đồng dạng nhiệt phải bằng nhau. Những chuẩn số đồng dạng thủy động. Chuẩn số Reynolds là tỷ lệ giữa lực chuyển động khí và lực ma sát nội Re = ν Wd (2-29) Chuẩn số Grascop là tích số giữa chuẩn số Re với tỷ lệ lực nâng và lực ma sát nội Gr = 2 3 ν gd β ∆t (2-30) d - đ−ờng kính ống dẫn, m g - gia tốc trọng tr−ờng, m/s2 β - hệ số giản nở thể tích (β = 1/273) ∆t - chênh lệch nhiệt độ, oC. ν - độ nhớt động, m2/s Chuẩn số Euler là tỷ lệ giữa lực áp suất và lực chuyển động Eu = 2W p ρ ∆ (2-31) ∆p - chênh lệch áp suất Các chuẩn số đồng dạng nhiệt. Chuẩn số Pekle là tỷ lệ giữa dòng nhiệt đối l−u và dòng nhiệt truyền đi bằng dẫn nhiệt của chất lỏng, biểu thị bằng thông số vật lý ta có Pe = a Wd (2-32) W - tốc độ của dòng, m/s d - đ−ờng kính của ống, m a - độ dẫn nhiệt độ, m2/s 36 Chuẩn số Prandtl là tỷ lệ giữa chuẩn số Pekle và Reynolds, tức là tỷ lệ giữa những đại l−ợng xác định đồng dạng tr−ờng tốc độ và nhiệt độ. Pr= aWd a Wd ν= ν (2-33) Chuẩn số Nusselt là tỷ lệ giữa dòng nhiệt truyền đến t−ờng bằng đối l−u qd1 và dòng nhiệt truyển qua lớp giới hạn bằng dẫn nhiệt qdn : qdn = d λ (t1 - t2) , [W/m 2] (2-34) qđl = αđ1 (t1 - t2) , [W/m2] (2-35) Nu = λ α d q q d dn d .11 = (2-36) 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 l−u. Nếu mô hình và thiết bị đồng dạng ta sẽ có: Numô hình = Nuthiết bị lò (2-37) Ta ký hiệu mô hình là m và thiết bị lò chẳng hạn là 1 ta sẽ có: 1 11 m nm dd λ α=λ α (2-38) Rút ra hệ số cấp nhiệt đối l−u của lò α1 : α1 = αm 1 1 m m d d λ λ (2-39) Ph−ơng trình cấp nhiệt bằng đối l−u th−ờng nằm trong dạng chuẩn số. Vì dụ: Nu = f (Re, Gr, Pr) (2-40) Với chất lỏng chuyển động xoáy có thể đơn giản chuẩn số Gr và ta có: Nu = f (Re, Pr) (2-41) Một số tr−ờng 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 l−u biểu thị bằng ph−ơng trình chuẩn số (khi Re ≥ 10.000 và 1/d ≥ 50). Nu = 0,021 Re0,8 Prk 0.,43 ( t k Pr Pr )0,25 (2-42) Prk - Giá trị chuẩn số Prandtl ở nhiệt độ khí trung bình và bằng nửa hiệu số nhiệt độ khí lúc vào và ra. Prt - Chuẩn số Prandtl ứng với nhiệt độ khí bằng nhiệt độ t−ờng. Đối với không khí và khói lò chuẩn số Pr có thể lấy bằng 0,72. Vì vậy ph−ơng trình (2- 42) có thể có dạng đơn giản hơn: 37 Nu = 0,018 . Re 0,8 (2-43) Hoặc : λ α d1d = 0,018 ( ν Wd )0,8 (2-44) Từ ph−ơng trình trình rút ra: αđ1 = A 2,0 8,0 d W (2-45) Trong đó A - hệ số bằng 0,018 8,0ν λ , ν: hệ số độ nhớt động [m2/s] Nh− vậy không những chỉ tốc độ khí mà đ−ờng kính ống dẫn cũng ảnh h−ởng đến hệ số cấp nhiệt đối l−u. Nếu giảm đ−ờng kính ống dẫn trong khi tốc độ khí vẫn giữ nguyên, trị số αd1 tăng lên. Theo số liệu lực nghiệm hệ số cấp nhiệt đối l−u: khi đốt nóng khí hệ số cấp nhiệt đối l−u 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 . 8,0ν λ . 2,0 8,0 2,0 8,0 d W .489,3 d W = , [W/m2. độ] (2-46) 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 d W , [W/m2. độ] (2-48) Khi làm lạnh αđ1 = 2,36 2,0 8,0 d W , [W/m2.độ] (2-49) Giá trị λ và ν của không khí và khói lò tùy theo nhiệt độ cho trong bảng 2-2. Hệ số cấp nhiệt đối l−u khi làm lạnh không khí và khói lò trong điều kiện chuyển động xoáy xác định: Nu = 0,0235 Re0,8 (2-50) Bảng 2-2 Giá trị độ nhớt, độ dẫn nhiệt của không khí và khói lò. Nhiệt độ (oC) Độ nhớt không khí ở (760mmHg) ν.106 [m2/s] Độ dẫn nhiệt λ W/m.độ Không khí Khói lò Không khí Khói lò 0 13,3 12,2 0,0248 0,0228 100 23,2 21,5 0,0319 0,0343 200 34,9 32,8 0,0383 0,0401 300 48,3 45,8 0,0455 0,0484 400 63,1 60,4 0,0505 0,0570 500 79,2 76,3 0,0563 0,0656 600 96,8 93,6 0,0619 0,0742 38 700 115,1 112,1 0,0672 0,0827 800 134,7 131,8 0,0723 0,0915 900 155,2 152,5 0,0772 0,1001 1000 176,7 174,3 0,0820 0,1090 1100 199,2 197,1 0,0864 0,1175 1200 222,7 221,0 0,0908 0,1262 1400 273,0 272,0 0,998 0,1442 Hệ số cấp nhiệt đối l−u αđ1 trong ống ngắn (1/d < 50) có trị số lớn hơn so với ống dài. Ta có thể dùng công thức chung nh−ng có thêm hệ số hiệu chỉnh ϕ bảng 2-3. Bảng 2-3 Trị số Tỷ lệ 1/d Re 2 5 10 20 40 50 1,104 1,65 1,34 1,23 1,13 1,03 1,00 2,104 1,51 2,27 1,18 1,10 1,02 1,00 5,104 1,34 1,18 1,13 1,08 1,02 1,00 1,105 1,28 1,15 1,10 1,06 1,02 1,00 1,106 1,14 1,08 1,05 1,05 1,01 1,00 Khi đốt nóng không khí và khói lò: Nu = 0,018 . Re0,8 ϕ (2.51) αd1 = 0,018 d λ . Re0,8 ϕ (2.52) Khi làm lạnh không khí và khói lò: Nu = 0,0235 . Re0,8 ϕ (2.53) αd1 = 0,0235 d λ . Re0,8 ϕ (2.54) ϕ Hệ số điều chỉnh, kể tới ảnh h−ởng chế độ chuyển động và chiều dài, đ−ờng kính kênh dẫn. Khi chuyển động dòng. Công thức chung sẽ có dạng: Nu = 0,15.Re0,33.Prk 0,43. Gr0,1 . ( t K Pr Pr )0,25 .ϕ (2-55) ϕ - hệ số kể đến chiều dài t−ơng đối của ống: L/dtđ 2 5 10 15 20 30 40 50 và lớn hơn φ 1.70 1.44 1.28 1.18 1.13 1.05 1.20 1 2.2-3. Một số công thức th−ờng dùng. Trong các lò có nhiệt cao hoặc áp dụng cho zôn nung lò nung dùng công thức của N.N Dôbrôkhôtôp: αđ1 = 10Wo , [W/m2.độ] (2-56) Wo - tốc độ khí ở phòng làm việc của lò ( zôn nung) ở 0 oC, m/s. 39 Cấp nhiệt trong kênh gạch kích th−ớc từ (40 ì 40)mm đến (90 ì 90)mm khi chuyển động không khí và khói lò: αđ1 = 0,86 . 33,0 80,0 o d W 4 T [W/m2.độ] T - nhiệt độ tuyệt đối của khí, oK. d - đ−ờng kính thủy lực của kênh, m Khi chuyển động không khí tự do theo t−ờng lò ở nhiệt độ thấp. αđ1 = A . 4 21 tt − , [W/m2.độ] (2-57) t1 - t2 : chênh lệch nhiệt độ bề mặt t−ờng và khí. A = 2.56 Cấp nhiệt dọc theo t−ờng. A = 3.26 Cấp nhiệt do khí chuyển động lên phía trên. A = 1.63 Cấp nhiệt do khí chuyển động từ t−ờng xuống phía d−ới. Hệ số cấp nhiệt đối l−u 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 tW ν λ , [W/m2.độ] (2-58) Khi Re > 200 αđ1 = 0,713 33,0d λ ( t tW ν ) 0,7 , [W/m2độ] (2-59) Wt - tốc độ khí ứng với toàn tiết diện ngang của lớp, m/s νt - độ nhớt động của khí, m2/s d - kích th−ớc của hạt vật liệu, m λ - độ dẫn nhiệt của khí, W/m.độ. Dòng khí chuyển động dọc lớp gạch xếp trong lò nung, ta dùng công thức của K.A.Nokhratian. αđ1 = 0,35 . 33,0 5,0 d W o , [W/m2.độ] (2-60) Wo - tốc độ khí trong kênh ứng với điều kiện chuẩn, m/s. d - đ−ờng kính kênh, a, b - kích th−ớc của kênh d = ba ab2 + , [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 40 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 25,08,0 d TW , [W/m2.độ] (2-64) T = 2 TT khívl + , [oK] Tvl, Tkhí - Nhiệt độ vật liệu và khí, oK. Khi sản phẩm xếp trên giá đỡ, ở zôn nung αđ1 = 35 [W/m2.độ]. ở zôn nhiệt độ thấp - ngay đầu zôn đốt nóng αđ1= 5,2 [W/m2.độ]. Trong công nghiệp lò, khi đốt nóng và làm nguội không khí trị số αđ1 trong khoảng (18 -58)W/m2.độ. Nếu tốc độ không khí hay khói lò Wo = 8m/s (d = 0,1m) nhiệt độ trung bình ttb = 100 o, αđ1 = 23W/m2.độ. Khi đốt nóng và làm lạnh n−ớc, α đối l−u dao động trong khoảng (2340 - 11700) W/m2.độ và khi sôi n−ớc 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 b−ớc sóng 0,4 - 400 àK là có tác dụng nhiệt lớn hơn cả và đ−ợc gọi là các tia nhiệt. Sự truyền các tia nhiệt gọi là sự bức xạ nhiệt. Những định luật xác định năng l−ợng của chùm tia sáng cũng có thể dùng đối với tia nhiệt. Tia nhiệt truyền ra không gian với tốc độ nh− 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 nh− nhau thì hệ thống ở trạng thái cân bằng động về nhiệt: ở điều kiện đó phần năng l−ợng bức xạ của nó chính bằng năng l−ợng mà nó thu đ−ợc trong quá trình hấp thụ. Năng l−ợng của vật thể đầu tiên biến thành năng l−ợng tia nhiệt, nó truyền ra khoảng không gian theo chiều h−ớng khác nhau. Khi gặp các vật thể khác thì một phần năng l−ợng 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 l−ợng năng l−ợng truyền đến vật thể là Q0 , l−ợng nhiệt hấp thụ QA, l−ợng nhiệt phản xạ QR và l−ợng nhiệt đi qua vật thể đó QD, khi đó ta có: Q0 = QA + QR + QD 1 = 000 Q Q Q Q Q Q DRA ++ và nếu kí hiệu Hệ số hấp thụ A = o A Q Q (2-65) Hệ số phản xạ R = o R Q Q (2-66) 41 Hệ số thẩm thấu D = o D Q Q (2-67) Vật thể có A = 1 gọi là vật thể đen tuyệt đối. Vật thể có R = 1 gọi là vật thể trắng tuyệt đối. Vật thể có D = 1 gọi là vật thể trong tuyệt đối. Trong thiên nhiên không có vật thể đen, trắng tuyệt đối mà ta chỉ có vật thể xám có nghĩa là các hệ số A, R, D luôn luôn nhỏ hơn 1, song tổng của 3 hệ số luôn luôn bằng 1. A+ R + D = 1 (2-68) Đối với vật thể đen, độ thẩm thấu của nó D quá nhỏ nên có thể bỏ qua và A+ R = 1 (2-69) Đối với vật thể khí thực tế độ phản xạ quá nhỏ, ta cũng có thế bỏ qua. A+ D = 1 (2-70) Trong thực tế, vật thể tự bức xạ đi một năng l−ợng E1. Cũng vật thể đó lại nhận bức xạ tới E2 , tức là năng l−ợng vật thể thứ hai bức xạ tới vật thể thứ nhất. Song vật thể không hấp thụ hoàn toàn năng l−ợng của bức xạ tới mà chỉ hấp thụ một phần E2A1, phần năng l−ợng còn lại (E2 - E2A1 ) sẽ phản xạ lại vật thể thứ hai. Tổng của giòng bức xạ và phản xạ gọi là bức xạ hiệu quả: Ehq = E1 + E2 (1- A1 ) (20-71) L−ợng nhiệt của vật thể thực tế bức xạ đi ( gọi là bức xạ tổng hợp). Ett = E1 - E2 .A1 (2-72) Việc nghiên cứu c−ờng độ bức xạ của vật thể đen tuyệt đối đã đ−ợc Plank nghiên cứu từ năm 1900. Ông chỉ rằn: c−ờng độ bức xạ của vật thể đen tuyệt đối phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối oK và vào chiều dài sóng λ. Trên cơ sở đó rút ra đ−ợc một loạt các định luật khác. Định luật Stefan - Boltzman. Để xác định tổng năng l−ợng nhiệt bức xạ đi của vật thể ở mọi chiều dài sóng ta sử sụng định luật Stefan - Boltzman. L−ợng năng l−ợng bức xạ của vật thể đen tuyệt đối phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối lũy thừa bốn. Eo = σ0 T4 , [W/m2] (2-73) hoặc: Eo = C0 ( 100 T )4 , [ W/m2] σo gọi là hằng số bức xạ của vật thể đen tuyệt đối. Co gọi là hệ số bức xạ của vật thể đen tuyệt đối. Trong tính sử dụng C0 thuận tiện hơn. Co = σo.10-8 = 5,67 W/m2.oK4 (2.74) Đối với vật thể xám có c−ờng độ bức xạ nhỏ hơn so với vật thể đen tuyệt đối, định luật Stefan - Boltzman có dạng sau: 42 E = C ( 100 T )4 W/m2 (2-75) C- hệ số bức xạ của vật thể xám phụ thuộc vào trạng thái bề mặt, bản chất vật thể và nhiệt độ của nó. Cũng có thể viết: E = ε C0 ( 100 T )4 W/m2 (2-76) ε - độ đen của vật hể. ε = 0E E = oC C (2-77) Độ đen của vật thể là tỷ lệ giữa hệ số bức xạ của vật xám với hệ số bức xạ của vật thể đen tuyệt đối. Vật thể có độ đen càng gần 1: càng gần vật thể đen tuyệt đối thì c−ờng độ bức xạ càng cao. Tên vật liệu Nhiệt độ ( 0 C) Độ đen Nhôm nhám 26 0.055 Đồng bóng 80- 115 0.018 - 0.023 Gạch đỏ 20 0.93 Gạch chịu lửa - 0.8 - 0.98 Sơn trắng và đỏ 40 - 95 0.8 - 0.98 Muội bồ hóng 95 - 270 0.95 Định luật Kirchoff. Khảo sát quá trình bức xạ giữa hai mặt phẳng song song. - Hai mặt phẳng này có cùng một diện tích và bằng 1m2. - Mặt I là vật thể xám. ( E, A, T). - Mặt II là vật đen tuyệt đối. (E0, A0, T0). - T > T0. Quá trình bức xạ giữa hai mặt: Mặt I phát ra năng l−ợng E, năng l−ợng này bị mặt II hấp thụ hoàn toàn. Mặt II phát ra năng l−ợng E0, , E0 đ−ợc mặt I hấp thụ một phần E0.A, phần còn lại ( E0 - E0.A) phản xạ lại và đ−ợc mặt II hấp thụ hoàn toàn. Vậy l−ợng nhiệt do mặt I phát ra: Q1 = E + ( E0 - E0.A). Và l−ợng nhiệt do mặt II phát ra: Q2 = E0 Vậy l−ợng nhiệt do mặt II thu đ−ợc trong qua trình trao đổi: Q = Q1 – Q2 = E + ( E0 - E0.A) – E0 = E - E0.A Bức xạ nhiệt này còn liên tục xãy ra khi nhiệt độ hai vật thể này bằng nhau (T =T0). Khi đó hệ thống ở trạng thái cân bằng động, l−ợng nhiệt các vật thể phát ra nh− nhau, nên Q = E - E0.A = 0 43 Suy ra: E0 = A E Ph−ơng trình này là nội dung của định luật Kirchoff ˝Tỷ lệ giữa khả năng bức xạ và khả năng hấp thụ năng l−ợng của mỗi vật thể là một đại l−ợng không đổi và bằng khả năng bức xạ của vật thể đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ˝ nghĩa là: o o A E A E A E A E ==== ... 3 3 2 2 1 1 = const (2-78) E1, E2, E3 ... c−ờng độ bức xạ của vật thể xám. A1, A2, A3... hệ số hấp thụ của vật thể xám. E0, A0 - c−ờng độ bức xạ và hệ số hấp thụ của vật thể đen tuyệt đối. Đối với vật thể đen tuyệt đối A0 = 1.C0 = 5,67. Từ ph−ơng trình trên ta có: A = oo C C E E = = ε (2-79) Nh− vậy đối với một vật thể khả năng hấp thụ có giá trị đúng bằng độ đen của nó. Cũng từ định luật Kirchoff ta thấy ràng vật thể có c−ờng độ bức xạ cao thì cũng có khả năng hấp thụ và độ đen của nó càng lớn. Định luật Lambert. Đinh luật Stefan - Boltzman cho phép ta xác định l−ợng năng l−ợng chung bức xạ bởi vật thể theo những chiều h−ớng khác nhau từ bề mặt bức xạ. Nh−ng mật độ của dòng bức xạ lớn nhất theo chiều thẳng góc đối với mặt bức xạ tức theo đ−ờng chuẩn n (hình 2- 3). Các chùm bức xạ lệch với đ−ờng chuẩn n một góc ϕ đều có năng l−ợng nhỏ hơn. Nếu ϕ = 90o dòng nhiệt bức xạ sẽ bằng không. Sự biến đổi năng l−ợng của dòng bức xạ theo góc ϕ đ−ợc xác định bằng định luật Lambert. Nếu biết dòng nhiệt bức xạ từ bề mặt phân tố dF1 theo h−ớng chuẩn n là dQn [W] thì dòng nhiệt theo góc ϕ1 sẽ bằng: dQϕ1 = dQn dw cosϕ1 (2-80) dw - góc không gian. dQn = En dF1 En - c−ờng độ bức xạ của mặt dF1 theo h−ớng chuẩn , [W/m2] C−ờng độ bức xạ tổng cộng E1 của bề mặt vật thể dF1 theo mọi h−ớng sẽ lớn hơn so với một h−ớng chuẩn En và giữa chúng có liên hệ: En = π 1E [W/m2] (2-81) Và vì E1 = ε.C0 4 100 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ T Nên ph−ơng trình (2-80) có thể viết: 44 dQϕ1 = εCo 4) 400 T ( π ϕω 1cosd .dF1 (2-82) Do đó l−ợng năng l−ợng bức xạ bằng tổng l−ợng nhiệt xác định theo định luật Stefan - Boltzman nhân với đại l−ợng góc π ϕω 1cosd và Đại l−ợng góc này chỉ rằng: Bao nhiêu phần năng l−ợng bức xạ đi theo h−ớng cho d−ới góc không gian dW từ mặt dF1 đối với l−ợng năng l−ợng chung bức xạ theo mọi h−ớng cũng từ mặt dF1 . 2.3.2. Tính chất của dòng nhiệt bức xạ. Khi tính toán trao đổi nhiệt giữa các vật thể ng−ời ta sử dụng những khái niệm và tính chất của dòng bức xạ. Hệ số góc. Vật thể 1 bức xạ đi một năng l−ợng Q1 theo hình bán cầu, rơi đến vật thể 2 l−ợng nhiệt Q12 thì hệ số góc giữa mặt 1 đối với mặt 2 sẽ là: ϕ12 = 1 12 1 12 F F Q Q = (2-83) T−ơng tự ta có: ϕ21 = 2 21 1 21 F F Q Q = (2-84) Tính t−ơng hổ. Hai vật thể đen tuyệt đối 1 và 2 nằm trong trạng thái trao đổi nhiệt thì khi cân bằng nhiệt, cũng cân bằng dòng bức xạ và không phụ thuộc vào hình dạng hay vị trí của chúng. Q12 = Q21 , ϕ12 . F1 = ϕ21 . F2 ; (2-85) F12 = F21 , Nếu ϕ12 = 1 ϕ21 thì ϕ21 = 2 1 F F Tính phân tán của dòng. Nếu hai mặt chia thành 1a, 1b... 2a, 2b... thì: Q12 = Q1a2a + Q1a2b + Q1b2a + Q1b2b (2-86) F12 = F1a2a + F1a2b + F1b2a + F1b2b Tính chất trùng hay phối hợp của dòng. Nếu vật thể 1 bức xạ nhiệt cho 2 vật thể 2 và 3 Q12 = ϕ12.F1. E1 = E1 F12 Q13 = ϕ13.F1. E1 = E1 F13 Nếu Q12 = Q13 thì ta có: ϕ12 = ϕ13 ; F12 =F13 (2-87) Tính chất kín của dòng. Nếu vật thể 1 bị bao bọc bởi m vật thể trên mặt bán cầu thì: 45 1 mi 1i i1 FF =∑= = ; 1 mi 1i i1 =ϕ∑= = ; 1 mi 1i i1 QQ =∑= = (2-88) Tính ngắt mạch của dòng. Nếu trên đ−ờng đi của dòng bức xạ từ vật thể 1 đến vật thể 2 bị chắn bởi vật thể không trong suốt thì dòng bức xạ sẽ bằng không: Q12 = 0 ; F12 = 0 ; ϕ12 = 0 (2-89) Suy ra đối với mặt phẳng và lồi thì: Q11 = 0 ; F11 = 0 ; ϕ11 = 0 2.3.3 Trao đổi nhiệt giữa hai vật thể phẳng đặt song song. Nếu ta có hai mặt có nhiệt độ T1 và T2 , chúng bức xạ nhiệt lẫn cho nhau. Dòng nhiệt bức xạ thực tế bằng chênh lệch giữa hai bức xạ hiệu quả của chúng. ở đây trao đổi nhiệt là một dãy các quá trình hấp thụ và phản xạ liên tiếp. Mỗi mặt đối diện một năng l−ợng bức xạ, đồng thời lại hấp thụ một phần năng l−ợng bức xạ tới của mặt đối diện bức xạ sang. Còn một phần nó phản xạ lại mặt đối diện (hình 2-4). Quá trình này cứ lặp đi lặp lại đến vô tận. Hình 2-4 : Sơ đồ trao đổi nhiệt giữa hai mặt. (Xem trang sau) Gọi bức xạ hiệu quả của mặt 1 là E1hq với hệ số hấp thụ A1 và của mặt 2 là E2hq và hệ số hấp thụ A2 ta có: E1hq = E1 + (1-A1) E2hq (2-90) E2hq = E2 + (1-A2) E1hq (2-91) E1 và E2 : năng l−ợng tự bức xạ của mặt 1 và 2. Dòng bức xạ tế từ mặt 1 sang 2. Q12 = E1hq - E2hq (2-92) Từ hệ ph−ơng trình trên ta rút ra: E1hq = 2121 2121 AAAA EAEE −+ −+ E2hq = 2121 1221 AAAA EAEE −+ −+ Từ đây ta có: Q12 = 2121 2112 AAAA EAEA −+ − (2-93) Căn cứ theo định luật Kirchoff ta thay A1 = oo C CA C C 2 2 1 , = và từ định luật Stefan - Bolzman thay E1 = C1. 4 1 100 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ T và E1 = C2. 4 1 100 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ T vào (2-93 ) ta có: 46 Q12 = 2 0 21 0 2 0 1 0 1 4 2 2 0 2 4 1 1 . . 100 . 100 C CC C C C C C CTC C CTC −+ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ Rút gọn Q12 = 0 2 0 1 0 4 2 4 1 . 1 100100 C C C C C TT −+ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ Chia tử và mẫu số cho C0 ta có: Q12 = 021 4 2 4 1 111 100100 CCC TT −+ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ Q12 = qC [ 4241 ) 100 T () 100 T ( − ] , [W/m2] (2-97) Cq - hệ số bức xạ quy định và Cq Cq = oCCC 111 1 21 −+ [W/m2.oK4] (2-98) C1, C2 - hệ số bức xạ của mặt 1 và 2. Căn cứ theo (2-79) và (2-80) ta có thể viết: Cq = 1 11 67,5 21 −ε+ε [W/m2.oK4 ] (2-99) Nếu mặt F1 bị bọc kín bởi mặt F2 theo dạng ống trụ lồng trong ống trụ hoặc cầu lồng trong cầu Cq = )1 1 ( F F1 67,5 22 1 1 −ε+ε [W/m2.oK4 ] (2-100) Nếu F1 vô cùng nhỏ so với F2 thì: Cq = 5,67 . ε1 = C1 2.3.4 Bức xạ nhiệt qua lổ. T−ờng lò th−ờng có chừa các lổ quan sát, cửa đốt, cửa cho liệu qua lổ, qua khe hở đó có dòng nhiệt bức xạ từ trong lò ra môi tr−ờng xung quanh. L−ợng nhiệt này có thể xác đinh theo định luật Stefan - Bolzman. Q = 5,67 ϕ [ 4KK41 ) 100 T () 100 T ( − ] F , [W] (2-101) 47 Trong đó: F - diện tích bề mặt lổ, m2 T1 - nhiệt độ bên trong của lò, oK Tkk - nhiệt độ không khí ngoài lò, oK ϕ - hệ số mở của lổ. Lổ ở t−ờng lò th−ờng không lớn, cho nên có thể coi nó nh− vật thể đen tuyệt đối nghĩa là độ đen của nó ε = 1. Hệ số ϕ phụ thuộc vào góc mở mà tia bức xạ phóng ra qua lổ ra môi tr−ờng xung quanh. Nếu kích th−ớc lỗ bằng nhau thì l−ợng năng l−ợng qua lổ càng nhiều nếu chiều dày t−ờng càng nhỏ. Nếu chiều dày t−ờng quá nhỏ thì giá trị ϕ gần bằng 1. 2.3.5 Bức xạ nhiệt qua tấm chắn. Từ công thức xác định l−ợng nhiệt cấp đi bằng bức xạ: Muốn tăng c−ờng sự cấp nhiệt bằng ph−ơng thức này cần tăng c−ờng nhiệt độ và độ đen của vật. Và ng−ợc lại, muốn giảm sự cấp nhiệt bức xạ cần giảm nhiệt độ và độ đen của vật. Giả sử có hai mặt song song với nhau, dòng nhiệt bức xạ từ mặt 1 sang mặt 2 xác định theo công thức: Q12 = qC [ 4241 ) 100 T () 100 T ( − ] , [W/m2] (2-102) Nếu giữa hai mặt này ta đặt tấm chắn là lá thép mỏng hoặc tôn mỏng trong điều kiện cân bằng nhiệt và khi ε1 = ε2 = εc (độ đen tấm chắn) cũng nh− F1 = F2 = Fc , dòng nhiệt truyền từ mặt 1 lên tấm chắn rồi từ tấm chắn lên mặt 2 (hình 2-6). qC [ 4c41 ) 100 T () 100 T ( − ] q'1 CF = [ 424c )100 T () 100 T ( − ] Fc hoặc: 4c41 ) 100 T () 100 T ( − = 424c ) 100 T () 100 T ( − Từ đây ta có: 42414 ) 100 ( 2 1) 100 ( 2 1) 100 ( TT Tc += L−ợng nhiệt mà mặt 1 truyền cho mặt 2, bằng l−ợng nhiệt mà mặt 1 truyền cho tấm chắn rồi tiếp tục truyền cho mặt 2. Hình 2-6 : Sơ đồ bức xạ qua tấm chắn. (Xem trang sau) Q1C2 = Cq [ 4c41 ) 100 T () 100 T ( − ] F1 , [W] Thay giá trị 4c ) 100 T ( vào ta có: Q1C2 = Cq [ 4141 ) 100 T ( 2 1 ) 100 T ( − - 2 1 42 ) 100 T ( ] F1 , [W] 48 hoặc Q1C2 = 2 C q [ 4241 ) 100 T () 100 T ( − ] F1 [W] (2-103) So sánh (2-103) với (2-102) ta thấy bằng khi có 1 tấm chắn, trao đổi nhiệt giữa hai mặt giảm đi 2 lần. Nếu có n tấm chắn ở giữa và nếu độ đen của tấm chắn ε1 = ε2 = εc1 = … = εcn thì l−ợng nhiệt trao đổi sẽ giảm đi (n + 1) lần: Q12nC = 1n 1 + Q12 (2-104) Nếu độ đen của tấm chắn thay đổi thì: Q12nC = 12q C1q C C 1n 1 + Q12 (2-105) Cq 1C - hệ số bức xạ khi có mặt tấm chắn, [W/m 2.oK4] Cq12 - hệ số bức xạ khi không có tấm chắn , [W/m 2.oK4] Ng−ời ta tính toán khi sử dụng một tấm chắn mạ nikel không bị oxy hóa ε = 0,11 để che lỗ ở t−ờng lò, tổn thất nhiệt ra môi tr−ờng xung quanh bằng bức xạ giảm đi 18 lần hoặc khi Cc = 0.3, C1 = C2 = 5.26 nếu có một vách chắn dòng nhiệt bức xạ giảm 30 lần. 2.3.6 Bức xạ nhiệt của khí và hơi. Các phân tử khí có cấu tạo từ một hoặc hai nguyên tử trong tính toán nhiệt kỹ thuật coi nó nh− vật thể trong suốt đối với tia nhiệt. Phân tử khí có cấu tạo từ ba hay bốn nguyên tử trở lên mới có khả năng bức xạ và hấp thụ năng l−ợng dạng sóng. Đáng chú ý hơn cả là CO2 và H2O th−ờng có trong khí thải. Vì nó là sản phẩm chủ yếu trong quá trình đốt cháy nhiên liệu. Chúng khác vật thể xám ở chỗ chỉ trong những khoảng b−ớc sóng nhất định chúng mới có khả năng hấp thụ và bức xạ năng l−ợng và trong những khoảng đó độ đen của khí khác nhau. Ngoài những khoảng này khí trở nên trong suốt và năng l−ợng bức xạ sẽ bằng không. Ví dụ: Đối với khí CO2 Vùng quang phổ 1 từ λ1 = 2.36àk đến λ2 = 3.02àk Vùng quang phổ 2 từ λ1 = 4.01àk đến λ2 = 4.8àk Vùng quang phổ 3 từ λ1 = 1.24àk đến λ2 = 16.5àk Cũng khác với vật thể rắn, khí bức xạ hay hấp thụ năng l−ợng không phải trên bề mặt mà trên toàn thể tích theo chiều dày của lớp khí. Nếu tăng chiều dày của lớp khí lên, thì bức xạ của khí tăng lên và độ đen của nó cũng tăng lên. Điều đó có nghĩa là khả năng bức xạ và hấp thụ năng l−ợng của khí phụ thuộc vào kích th−ớc và hình dạng của thể tích chứa khí đó (vỏ lò). Theo nhiều tác giả thì bức xạ của chất khí tỉ lệ bậc (3- 3,5) so với nhiệt độ tuyệt đối. Nh− vậy ta không thể sử dụng định luật Stefan - Boltzman đối với khí đ−ợc. Tuy nhiên vẫn sử dụng định luật này cho bức xạ của khí nh−ng kèm theo trong ph−ơng trình có những hệ số điều chỉnh và bảng bổ sung. Hãy khảo sát bức xạ của khí theo hình bán cầu(hình 2-7). Mật độ chùm tia bức xạ tới tiết diện dF càng lớn nếu bán kính R càng lớn. Chiều dài chùm tia hay chiều dày lớp khí S ở mọi phía đều bằng nhau và S = R. Thực tế trong công nghiệp lò ta hiếm gặp thể tích khí có hình dạng nh− vậy mà hình thù khác nhiều. Do đó chiều dày S hay chiều dài 49 của chùm tia không phải luôn luôn bằng nhau. Để tính toán ng−ời ta dùng chiều dày đ−ơng l−ợng tức là bán kính đ−ơng l−ợng của hình bán cầu. Chiều dày S đ−ơng l−ợng xác định bằng: F V4 S = , [m] V - thể tích chứa khí, m3 F - Bề mặt của thể tích chứa khí đó, m2 Hình 2-7 : Bức xạ khí theo hình bán cầu. (Xem trang sau) Tuy nhiên không phải tất cả năng l−ợng bức xạ của khí điều đi tới dF, mà một phần năng l−ợng bị hấp thụ bởi ngay chính thể tích khí đó. Độ hấp thụ càng lớn nếu độ đen của khí càng lớn. Trong thực tế tính toán, c−ờng độ bức xạ giảm đi (10 -15)% do nguyên nhân trên. Vì vậy ta dùng hệ số bức xạ hiệu quả η = 0,9 - 0,85. S = η F V4 , [m] (2-106) Chiều dày đ−ơng l−ợng của một số thể tích có hình dạng khác nhau khi η =0,9 trong bảng 2- 4. Bảng 2 - 4 Hình dạng thể tích chứa khí Hình dạng thể tích chứa khí S Hình cầu đ−ờng kính d 0,6 d Hình lập ph−ơng cạnh a 0,6 a Hình trụ dài đ−ờng kính d 0,9 d Hình trụ ngắn d = h khi bức xạ lên mặt bên 0,6 d Lớp khí dày h giữa hai mặt song song 1,8 h C−ờng độ bức xạ của khí phụ thuộc vào loại khí, chiều dày S, áp suất p và nhiệt độ t. Đối với chiều dài sóng λ c−ờng độ bức xạ là hàm số của các đại l−ợng S, p, t. Đối với hỗn hợp khí nh− khí thải chẳng hạn, c−ờng độ bức xạ và hấp thụ năng l−ợng phụ thuộc vào hàm l−ợng CO2 và H2O và áp suất riêng phần của khí. Năng l−ợng do CO2 bức xạ đi, thực tế phụ thuộc vào T3, 5 và H2Ohơi phụ thuộc vào T3. Để nguyên số mũ nh− vậy sẽ có nhiều khó khăn trong tính toán, vì vậy ng−ời ta vẫn coi nó phụ thuộc vào T4 nh−ng độ đen của khí sẽ điều chỉnh cho phù hợp. Do đó l−ợng nhiệt bức xạ bởi khí xác định bằng công thức: q = εk Co ) 100 T ( 4 , [W/m2 ] (2-107) εk - độ đen của khí phụ thuộc vào p, s và nhiệt độ của khí CO2 và hơi n−ớc. Đối với hỗn hợp khí nh− khói lò thì độ đen của hỗn hợp khí xác định: OHCOk 22 βε+ε=ε - ∆ε (2-108) 50 OHCO 22 ε+ε - độ đen của khí CO2 và H2O, xác định theo p , s và nhiệt độ ở biểu đồ hình (2-8 và 2-9). β- hệ số hiệu chỉnh, kể đến sự không đồng nhất về ảnh h−ởn của chiều dày S và áp suất riêng phần của hơi n−ớc (tìm trong biểu đồ 2-10). ∆ε - Hệ số hiệu chỉnh khi bức xạ đồng thời CO2 và H2Ohơi (tra trong biểu đồ.). Trong tính toán kỹ thuật có thể bỏ qua vì giá trị rất nhỏ. Hình 2.8+2.9+2.10 (Xem trang sau) Hình 2-10 - Biểu đồ xác định hệ số hiệu chỉnh β Đối với ngọn lửa thì độ đen của nó xác định theo công thức sau: ε1 = εk + εmh - ∆ε (1-109) εk - độ đen hỗn hợp khí. εmh - độ đen của các hạt mồ hóng nằm trong ngọn lửa nó phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, ph−ơng pháp và điều kiện cháy. Nếu kể đến năng l−ợng phản xạ từ t−ờng, thì c−ờng độ dòng nhiệt bức xạ của khí tới t−ờng ta dùng công thức V.N. Timofeev: q = 5,67 εk 6,3 K t4k ) T T 1() 100 T ( − , [W/m2 ] (2-110) TK, Tk - nhiệt độ của khí vào t−ờng , oK. 6,3)1( K t T T− là đại l−ợng kể tới sự bức xạ mg−ợc lại của t−ờng. Có thể dùng công thức của G.L. Poliak để tính giòng nhiệt bức xạ từ khí tới t−ờng hoặc ng−ợc lại từ t−ờng tới khí nếu Tt >Tk. Q = ]) 100 T () 100 T ([ 1 11 7,5 4t4K t k k k t kt −ε ε −ε+ε .F , [W] εt - độ đen của t−ờng lò. εkk độ đen của khí ở nhiệt độ khí. εtk - độ đen của khí ở nhiệt độ t−ơng ứng với t−ờng lò. Để đơn giản tính toán có thể coi εtk = ε kk khi sai số không quá 5% thì: Q = ]) 100 T () 100 T [( 1 11 7,5 4t4K kt − −ε+ε .F , [W] (2-111) 2.4 Trao đổi nhiệt trong lò lửa. 2.4.1. Trao đổi nhiệt. Nguồn nhiệt chủ yếu của các lò nung vật liệu là đốt cháy nhiên liệu ở nhiệt độ cao. Tại đây ngọn lửa, vỏ lò và vật liệu trao đổi nhiệt cho nhau (hình 2-11). Thực tế nhiệt 51 độ trong lò nung lớn hơn 1000oC, nên trao đổi nhiệt theo ph−ơng thức đối l−u chỉ chiếm (5 – 10)%, cấp nhiệt bằng bức xạ chiếm vị trí chủ yếu. Ngọn lửa bức xạ nhiệt cho vỏ lò và vật liệu nung, vật liệu và vỏ hấp thụ một phần và phản xạ một phần. Dòng bức xạ đó sẽ gộp với dòng từ bức xạ của vỏ lò và vật liệu cho ngọn lửa. Ngọn lửa có độ đen nhất định nên nó hấp thụ một phần, còn một phần cho đi qua. Nh− vậy vật liệu nung trong lò nhận nhiệt từ ngọn lửa và vỏ lò bức xạ tới nó. Tùy theo độ đen của vật liệu nung mà dòng bức xạ nhiệt sẽ cấp vào sâu hay nông ở lớp vật liệu d−ới đáy lò. Tính toán trao đổi nhiệt trong lò lửa ở khoảng cháy của nhiên liệu có thể xác định đ−ợc sự phụ thuộc của l−ợng nhiệt cung cấp cho vật liệu nung vào các nhân tố khác nhau, kích th−ớc phòng lò, kích th−ớc và vị trí của ngọn lửa. Việc tính toán này t−ơng đối phức tạp. Vì độ đen, nhiệt độ của ngọn lửa, nhiệt độ t−ờng lò không đồng đều. Ngọn lửa lại không có hình dáng nhất định. Vai trò của lớp khí nằm giữa ngọn lửa, vật liệu và vỏ lò, các nhân tố hình học rất khó tính toán. Vì vậy khi tính toán ta sẽ đơn giản nhiều và sử dụng những giá trị có hiệu quả của các thông số vật lý chủ yếu trong công thức trao đổi nhiệt. Những kết quả cho sẽ t−ơng ứng với thực nghiệm. Khi tính toán thực tế th−ờng sử dụng những giá trị trung bình nh− nhiệt độ và độ đen của khí. Cũng coi khoảng cháy của lò đ−ợc lấp đầy hoặc một phần bởi khí (ngọn lửa), ngọn lửa có hình dáng nhất định, độ đen khối khí đồng đều. Ph−ơng pháp tính toán trao đổi nhiệt trong lò lửa trong điều kiện các dòng bức xạ phân bố đồng đều từ ngọn lửa đ−ợc B.N.Timofeev đề ra đầu tiên. ở ph−ơng pháp này ra sẽ thành lập cân bằng nhiệt của mỗi nhân tố tham gia trao đổi nhiệt nh− vật liệu, vỏ lò. Đó là ph−ơng pháp phân tích. ở đây chúng ta sử dụng những công thức đơn giản để dễ tính toán. Dòng nhiệt tổng từ khí và bề mặt trong của lò (t−ờng lò) cấp cho vật liệu nung xác định: Qvl = Cc ]) 100 T () 100 T [( 4vl4k − Fvl , [W] (2-113) Cc - Hệ số bức xạ chung của khí và t−ờng lò cho vật liệu. TK, Tvl - nhiệt độ tuyệt đổi của khí và vật liệu nung, oK. Fvl - bề mặt nhận nhiệt của vật liệu, m 2 Nếu nhiệt độ khí và vật liệu thay đổi ở lò làm việc liên tục thì chênh lệch nhiệt độ: ]) 100 T () 100 T [(]) 100 T () 100 T [() 100 T () 100 T ( 4 ' vl4Kr4vl4c4vl4k −−=− (2-114) Tc - nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu, nếu nhiên liệu cháy ở khoảng làm việc của lò, oK. Tvl, T`vl - nhiệt độ đầu và cuối của vật liệu, oK. Tkr - nhiệt độ khí lúc ra khỏi zôn làm việc của lò , oK. Hệ số bức xạ chung Cc của khí và t−ờng lò cho vật liệu nung xác định theo công thức của V.N. Timofeev: 52 Cc = 5,7 εvl . εk Kvlkvlk k )]1()[1( 1)1( ε+ε−ε+εε−ϕ +ε−ϕ W/m2, độ 4 (2-115) εK, εvl - độ đen của khí và bề mặt vật liệu. ϕ - hệ số, bằng tỷ lệ giữa bề mặt nhận nhiệt của vật liệu Fvl và bề mặt trong của t−ờng lò Ft. ϕ = t vl F F Theo D. V Budrin: Cc = 5,7 εvl K , [W/m2 . 0C 4] (2-116) Trong đó: K = ϕε εεεε εϕ 11)]1([ 11 +−−+ −+ K K vlkvl k (2-117) ϕ 1 = ω = vl t F F - Độ phát triển của t−ờng lò. Nếu ký hiệu β = εvl + εK (1- εvl) ta có: K = ω+ε ε−β ε−+ω K K K 1 1 (1-118) Giá trị hệ số phân K có thể tìm trong biểu đồ của Budrin (hình 2-12) Hình 2-12 - Biểu đồ xác định hệ số nhân K (Xem trang sau) Nếu vật liệu không xếp kín nền lò thì giá trị εvl ở công thức (2-116) ta thay bằng: ) F F 1)(1(1 vl ' vl vl vl' vl −ε−− ε=ε ' vlF - bề mặt nhận nhiệt thực của vật liệu, m 2. Fvl - bề mặt nền lò chung, m 2. ' vlF / ' vlF - Mật độ bề mặt của vật liệu ở nền lò. Nếu kể cả dòng nhiệt đối l−u từ khí tới vật liệu và t−ờng lò và tổn thất nhiệt ra môi tr−ờng xung quanh bởi t−ờng lò thì hệ số bức xạ chung sẽ bằng: KvlKvlK K vlKc KKC εεεεεϕ εϕεε +−+− +++−= )]1()[1( 1)1(7,5 21' , [W/m2 . 0C 4] (2-119) K1 - hệ số kể đến dòng nhiệt đối l−u qđ1 [W/m2] từ khí tới t−ờng trừ đi tổn thất nhiệt qtt [W.m 2] ra môi tr−ờng xung quanh qua t−ờng. 53 K1 = )(10.7,5 )1()( 448 1 vlKKvl Kttd TT qq − −− − εε ε (2-120) K2 - hệ số kể đến dòng nhiệt đối l−u từ khí tới bề mặt vật liệu. K2 = )(10.7,5 .)]1([)1(. 448 vlKKvl KdvvlKvlKdv TT qq − +−+− − εε εεεεεϕ (2-121) Dòng nhiệt đối l−u từ khí tới t−ờng lò: qđ1 = αđ1 (tk-tt) , [W/m2] qtt - tổn thất nhiệt ra môi tr−ờng xung quanh qua t−ờng lò. qtt = 12 11 1 ααλ σ ++∑ (t1 - tkk) , [W/m 2] qđv - dòng nhiệt đối l−u từ khí tới vật liệu nung: qđv = αđ1 (tK-tvl) , [W/m2] Cấp nhiệt bằng đối l−u sẽ tăng l−ợng nhiệt đi từ khí tới vật liệu, nh−ng tổn thất nhiệt ra môi tr−ờng xung quanh sẽ giảm l−ợng nhiệt đi từ khí tới vật liệu. Với sai số không lớn lắm có thể coi K1 + K2 ≈ 0 và bài toán sẽ giản đơn hơn. Để xác định nhiệt độ bề mặt trong của t−ờng lò tại zôn nhiệt độ cao, nhiệt độ này cần phải biết để tính tổn thất bằng dẫn nhiệt ra môi tr−ờng xung quanh, có thể sử dụng công thức: Tt = 4 4 vl 4 K 4 vl )TT(T −ψ+ , [oK] (2-122) Hệ số theo Budrin: ψ = ω+ε ε−β β−+ω K K1 1 Đại l−ợng ψ nằm trong khoảng 0,85 đến 0,95. Nếu đã biết nhiệt độ Tvl và Tt, thì nhiệt độ khí xác định theo công thức sau: TK = 4 4 vl 4 t )1(TT ψ ψ−− , [oK] (2-123) 2.4.2 Các yếu tố ảnh h−ởng đến quá trình trao đổi nhiệt. Trong zôn nung nguồn nhiệt cung cấp chủ yếu là ngọn lửa, vì vậy độ sáng của ngọn lửa và khả năng bức xạ nhiệt của nó có ảnh h−ởng nhiều đến quá trình trao đổi nhiệt. Khi cháy cacbua hydro nhẹ sẽ tạo ra các hạt cacbon (0,02 - 0,3)μK với số l−ợng 1,3.108 hạt trong 1cm3 lửa. Khi cháy dầu mazút tạo ra hạt đến 50μk. Khi nhiệt phân hủy metan không những ta nhận đ−ợc hạt mồ hóng mà còn tạo ra sợi cacbua hydro dày (0,2 - 0,5) μk và dài hàng trăm micron. 54 Mặc dù các hạt nhỏ (0,05 - 0,3)μk có độ đen nhỏ, nh−ng khả năng bức xạ chung của cả khối khí đó lại lớn. ở những hạt lớn (20 - 30) μk độ đen của bản thân từng hạt khá lớn nh−ng số l−ợng hạt lại ít, nên khả năng bức xạ của ngọn lửa lại không lớn. Vì vậy việc cháy than bụi (hạt 50 - 100) μk có khả năng bức xạ nhỏ. Kết quả nghiên cứu: Ngọn lửa có chứa hạt mồ hóng (1ữ4) μK có c−ờng độ bức xạ cực đại. ở nhiệt độ nh− nhau, ngọn lửa sáng bức xạ tốt hơn ngọn lửa không sáng. Nh−ng nếu tiêu tốn l−ợng khí than nh− nhau thì cần phải xem xét cẩn thận các yếu tố khác nữa. Theo Serman, khí thiên nhiên cháy ngọn lửa sáng có độ đen lớn và khả năng bức xạ của nó cũng lớn theo độ sáng của ngọn lửa. Nh−ng bức xạ chung của khí và vỏ lò cho vật liệu ở ngọn lửa sáng lại kém hơn ngọn lửa kém sáng. N.A. Zakharikov chỉ rằng tăng độ sáng của ngọn lửa khi tiêu tốn khí nh− nhau ở lò thí nghiệm sẽ dẫn tới giảm cấp nhiệt cho đáy lò so với ngọn lửa ngắn không sáng. ở lò thủy tinh ng−ời ta lại có kết quả khác. Dòng nhiệt bức xạ đến mặt nhận nhiệt trong lò. q = σ T4 (2-124) Nếu tăng độ sáng, hệ số σ tăng lên và nhiệt độ T hạ xuống. So sánh 2 dòng nhiệt của ngọn lửa sáng qs và không sáng qK có thể viết: ) T T 41( T )TT( q q K s 4 K 4 s K s ∆−σ σ≈σ ∆−σ= (2-125) T - nhiệt độ ngọn lửa không sáng, 0K ∆ T - độ giảm nhiệt độ của ngọn lửa sáng so với ngọn lửa không sáng. σs, σK - hệ số bức xạ khi ngọn lửa sáng và không sáng. ở nhiệt độ cao ( T T 41 ∆− ) ≈ 1 Và σs luôn luôn lớn hơn σK, cấp nhiệt của ngọn lửa sáng sẽ lớn hơn ngọn lửa không sáng. ở nhiệt độ thấp thì ng−ợc lại hệ số ( T T 41 ∆− ) nhỏ hơn 1 nhiều và cấp nhiệt của ngọn lửa không sáng lại lớn hơn. Để tăng độ sáng của ngọn lửa ng−ời ta th−ờng pha nhựa than (hắc ín) hoặc mazút vào dòng khí, và ph−ơng trình 2-125 trên sẽ có dạng: )41( )( 4 4 T T T TT q q K s K s K s ∆+≈∆+= σ σ σ σ (2-126) Cả hai đều biến thiên theo một h−ớng, do đó carbon hóa dòng khí do pha thêm nhiên liệu lỏng có ý nghĩa rất cao. ở ngọn lửa sáng, tổn thất nhiệt ra môi tr−ờng xung quanh không ảnh h−ởng đến cấp nhiệt cho vật liệu. Nếu ngọn lửa hoàn toàn trong suốt (độ đen vô cùng nhỏ) nhiệt độ t−ờng lò bị hạ thấp, tổn thất nhiệt ra môi tr−ờng xung quanh có ảnh h−ởng nhiều đến cấp nhiệt cho vật liệu. T−ờng lò sẽ trao cho vật liệu tất cả nhiệt nhận đ−ợc từ khí sau khi đã trừ phần tổn thất ra môi tr−ờng xung quanh và nhiệt tích lũy bởi t−ờng lò. 55 Tr−ờng hợp đầu εK = 1 nên TK ≈ Tt, giữa t−ờng lò và vật liệu có sự trao đổi nhiệt không đáng kể. Tr−ờng hợp sau εK = 0 t−ờng lò và vật liệu có trao đổi nhiệt, nên nhiệt độ của t−ờng có ảnh h−ởng lớn đến cấp nhiệt cho vật liệu. Nếu tăng kích th−ớc ngọn lửa d/B = 0,5, d: đ−ờng kính ngọn lửa, B - chiều rộng lò thì l−ợng nhiệt truyền cho vật liệu lúc đầu tăng nhanh, sau đó chậm lại. Chiều dài của ngọn lửa phụ thuộc vào tốc độ cháy nhiên liệu. Nếu cháy nhanh, ngọn lửa sẽ ngắn nh−ng nhiệt độ lại cao và ng−ợc lại. Vì vậy tùy theo điều kiện cụ thể mà duy trì ngọn lửa dài hay ngắn. Ví dụ trên đ−ờng đi của khí, ngọn lửa cần dài nh−ng nhiệt độ của ngọn lửa vẫn phải duy trì ở phạm vi cho phép. Nếu để ngọn lửa quá dài, một phần ngọn lửa v−ợt khỏi khu nung luyện, sẽ gây tổn thất nhiệt. Trong thực tế lò công nghiệp, ng−ời ra duy trì ngọn lửa sáng chẳng những có −u thế về truyền nhiệt mà còn dễ quan sát theo dõi quá trình cháy và chuyển động của ngọn lửa. Để giảm tổn thất nhiệt ra môi tr−ờng xung quanh tức giảm tiêu tốn nhiên liệu, cần phải cách nhiệt t−ờng lò cho tốt, giảm hoặc che kín các lỗ hay khe hở. Điều khiển ngọn lửa với tốc độ lớn và h−ớng nó vào mặt vật liệu d−ới một góc sẽ tăng c−ờng tốc độ nung luyện. 2.4.3 Cấp nhiệt ra môi tr−ờng xung quanh. Trong quá trình nung hay sấy các thiết bị nhiệt đều có tổn thất nhiệt ra môi tr−ờng xung quanh do truyền nhiệt qua t−ờng lò, vòm lò, đáy lò… Dòng nhiệt tổn thất ở đây là tổng hợp của cả 3 dạng truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối l−u và bức xạ. Xác định l−ợng nhiệt tổn thất qua t−ờng hay vòm lò, dùng công thức tổng quát Qtt = 21 KKK 11 )tt(F6,3 α+λ σ∑+α − , [W] (2-127) Hoặc Qtt = 21 KKK 11 F)tt(001,0 α+λ σ∑+α − , [KW] (2-128) .tk, tKK - Nhiệt độ của khí trong lò và không khí, oC. F - bề mặt truyền nhiệt của t−ờng hay vòm lò, m2. α1 - hệ số cấp nhiệt từ khi tới mặt t−ờng trong lò, W/m2.độ. α2 - hệ số cấp nhiệt từ mặt t−ờng ngoài tới không khí bao quanh W/m2.độ. ∑ λσ σ - tổng nhiệt cản nội của t−ờng lò. σ - chiều dày của lớp gạch hay vật liệu. λ - độ dẫn nhiệt t−ơng ứng của gạch, W/m2.độ. Hệ số cấp nhiệt α trong mọi tr−ờng hợp bằng tổng cấp nhiệt đối l−u và bức xạ: α = αđ1 + αbx (1-129) Hệ số α1 có thể xác định theo những công thức ở phần trên khi biết các thông số của khí và t−ờng lò. ở nhiệt độ cao đối với không khí α1 = 7 - 14, đối với hỗn hợp không 56 khí và hơi n−ớc α1 = 20 - 200, đối với khói lò α1 = 100 - 450, hơi n−ớc bão hòa không có không khí α1 = 9000 - 12000 W/m2. độ. Hệ số cấp nhiệt α2 xác định theo công thức: α2 = K KKtn 4KK4 4 KKtn tt ]) 100 T () 100 Ttn [(.7,5 tt − −ε +− , [W/m2 oC] (2-130) K = 2,6 - đối với t−ờng thẳng đứng. K = 3,3 - đối với t−ờng ngang và cấp nhiệt lên phía trên. K = 1,6 - đối với t−ờng ngang cấp nhiệt xuống d−ới (nền lò). ε độ đen t−ờng lò, t−ờng gạch ε = 0,8 - 0,9.Vỏ thép ε = 0,8vỏ phủ nhũ sáng ε = 0,2. ttn, tKK - nhiệt độ mặt t−ờng ngoài và không khí, oC. Nếu ttn = 100 ữ 400oC có thể xác định α2 theo công thức đơn giản sau: α2 = (9,5 + 0,07 ttn) (1+0,2v) , [W/m2. độ] (2-131) v - tốc độ gió ở bề mặt t−ờng, m/s. Đối với lò làm việc ở (1000 - 1500)oC, mặt t−ờng ngoài có nhiệt độ khoảng (60 ữ 100) oC và α2 = 12 ữ 15 W/m2.độ. Nhiệt độ bề mặt trong t1 của lò xác định theo công thức 2-122 hoặc để đơn giản có