Quy luật chuyển động của khí trong lò

2. Đối với khí thực: Khi dòng khí thực chuyển động, ngoài tác động của trọng lực, áp lực và lực quán tính, còn chịu tác dụng của lực ma sát do độ nhớt gây nên, sinh ra tổn thất năng lượng. Hình : Phương trình Bernoulli đối với khí thực chuyển động từ mặt cắt (1-1) đến (2-2): hu: Tổng tổn thất năng lượng dòng khí chuyển động từ [1-1] đến [2-2], N/m2. - Phương pháp xác định áp suất: ht, hđ và htp = ht + hđ đối với dòng chảy trong ống. - Áp suất hình học tạo điều kiện thuận lợi cho dòng khí nóng chuyển động từ dưới lên trên, ngược lại sẽ cản trở chuyển động khi dòng khí nóng chuyển động xuống dưới. 4.5. QUY LUẬT CHUYỂN ĐỘNG CỦA KHÍ TRONG LÒ Chuyển động của khí trong lò do hai nguyên nhân: - Nguyên nhân bên trong: do chênh lệch nhiệt độ trong khối khí, dẫn đến chênh lệch khối lượng riêng và xuất hiện lực nâng (áp suất hình học) làm cho khí chuyển động – gọi là Chuyển động tự nhiên. - Nguyên nhân bên ngoài: dưới tác động của các luồng phun (động năng của quạt gió, thiết bị đốt…) làm cho khí chuyển động – gọi là Chuyển động cưỡng bức. 4.5.1. CHUYỂN ĐỘNG TỰ NHIÊN Chuyển động tự nhiên của khí trong lò được thực hiện nhờ áp suất hình học sinh ra bởi khối khí nóng, mà vai trò chính là ống khói có chiều cao của lò. Tuy vậy, trong chuyển động tự nhiên, sự chuyển động của khí diễn ra chậm chạp làm cho cường độ quá trình cháy và trao đổi nhiệt trong lò thực hiện rất hạn chế và khó điều khiển đáp ứng theo yêu cầu phức tạp của công nghệ (chế độ nhiệt độ, chế độ nhiệt, cường hóa quá trình cháy và trao đổi nhiệt…). Đáp ứng các yêu cầu trên, đòi hỏi phải cưỡng bức khí chuyển động theo ý muốn, vì vậy trong phần cơ học khí chúng ta tập trung nghiên cứu về sự chuyển động cưỡng bức. 4.5.2. CHUYỂN ĐỘNG CƯỠNG BỨC Chuyển động cưỡng bức của khí trong buồng lò thực hiện nhờ động năng của các luồng phun thổi vào lò (thiết bị đốt, quạt gió) hay các thiết bị hút (quạt hút, ống hút). Chuyển động của khí trong lò rất phức tạp, bị tổn thất bởi tác động của các lực: - Nội ma sát: khi có sự xáo trộn giữa các luồng phun hay giữa các luồng phun với khí trong buồng lò. - Ngoại ma sát: khắc phục các trở lực ma sát và cục bộ khi khí chuyển động trong buồng lò có hình dạng, kích thước phức tạp. - Một phần biến thành thế năng (áp suất tĩnh) Do đó, làm ảnh hưởng rất lớn đến sự tiến triển của quá trình đốt cháy và trao đổi nhiệt trong lò. Để nghiên cứu qui luật chuyển động của khí trong lò, cần bắt đầu từ việc nghiên cứu sự chuyển động của các luồng phun, bởi chính nó là nguyên nhân cơ bản gây chuyển động cưỡng bức trong lò. b. TÁC ĐỘNG TƯƠNG HỖ CỦA CÁC LUỒNG PHUN Nghiên cứu bằng thực nghiệm về trường tốc độ và sự thay đổi hình dạng của các luồng phun cho ta kết quả như sau: 1. Luồng phun song song cùng chiều với luồng phun có động lượng lớn hơn. - Vận tốc của luồng phun kết hợp bằng tổng vận tốc của hai luồng phun. - Góc mở a nhỏ hơn và độ phun xa lớn hơn luồng phun đơn. Hình : 2. Luồng phun ngược chiều với luồng phun có động lượng lớn hơn. - Góc mở a và độ phun xa nhỏ hơn luồng phun đơn. (có một khoảng cách giới hạn). - Có đường giới hạn vùng tuần hoàn (tốc độ ngược chiều) so với luồng phun nhỏ. 3. Hai luồng phun song song và cùng chiều Hình : - Góc mở a nhỏ hơn (14-150) và độ phun xa lớn hơn luồng phun đơn. - Sau khoảng cách 18-20 lần đường kính thủy lực của miệng phun, sẽ kết hợp thành một luồng phun như luồng phun đơn. - Cường độ xáo trộn của hai luồng phun phụ thuộc: tỷ số tốc độ giữa chúng (tăng khi tăng tỷ số tốc độ) và góc cắt nhau giữa hai luồng phun (so với góc 00, góc 40 giảm chiều dài đoạn đường xáo trộn 2 lần, góc 320 – giảm 4 lần, 900 – giảm 25 lần). LUỒNG PHUN TRONG KHÔNG GIAN GIỚI HẠN TUẦN HOÀN (LÒ BUỒNG) Vì vậy, trong không gian giới hạn được chia thành hai phần: phần chuyển động và vùng tuần hoàn. Mô hình 2 tiện cho nghiên cứu qui luật chuyển động và tác động tương hỗ giữa các luồng phung trong không gian giới hạn. Khái niệm trên không làm thay đổi hình ảnh thủy động của luồng và kết quả nghiên cứu, nên được ứng dụng trong các nghiên cứu tiếp theo. Chú ý: trong lò công nghiệp, vùng tuần hoàn còn gọi là vùng chết, vì sự tồn tại của nó có ảnh hưởng xấu đến trao đổi nhiệt trong lò. Nên trong lò phải bố trí các luồng phun và kênh thoát khỏi thích hợp sao cho hạn chế số lượng và thể tích của các vùng này. Các dạng chuyển động: tuỳ thuộc vào sự vị trí tương hỗ của các miệng phun và kênh thoát trong không gian giới hạn, có thể chia ra 3 nhóm chuyển động sau: 1. CHUYỂN ĐỘNG THẲNG: các miệng phun nằm về một phía, còn các kênh thoát nằm về phía đối diện. 3. Phân bố áp suất trong lò Chế độ áp suất trong không gian buồng lò ảnh hưởng đến quá trình cháy, quá trình trao đổi nhiệt và các điều kiện làm việc khác của lò. Khí chuyển động trong lò chờ sự chênh lệch áp suất giữa đầu vào và đầu ra do mức độ tác động của hệ thống cấp gió và đốt nhiên liệu với hệ thống thoát khỏi của lò. Dựa vào phân bố áp suất trong lò, chia ra 3 chế độ sau: - Chế độ áp suất dương (1): toàn bộ không gian làm việc của lò có áp suất dương (áp suất tĩnh trong lò lớn hơn áp suất môi trường không khí xung quanh), nếu mở cửa khí lò sẽ phì ra ngoài làm tổn thất nhiệt và gây nóng, độc. Ví dụ: lò nung kim loại, lò đứng nấu gang… - Chế độ áp suất âm (III): toàn bộ không gian làm việc của lò có áp suất âm (áp suất tĩnh trong lò nhỏ hơn áp suất môi trường không khí xung quanh), nếu mở cửa không khí xung quanh sẽ bị hút theo vào làm giảm nhiệt độ lò. Ví dụ: ở các nhiệt độ thấp như lò sấy. - Chế độ áp suất không gian (II): phần đầu của lò có áp suất dương, phần sau của lò có áp suất âm, chế độ này hạn chế khí phì ra ngoài hay không khí bị hút vào lò và được áp dụng ở hầu hết các lò công nghiệp. Hình : Chú ý: - Nên duy trì áp suất dư bằng không tại các cửa (cửa thao tác, cửa vô liệu) của lò. - Không nên đặt cửa lò hay khe hở ở vị trí gần miệng luồng phun: không khí xung quanh dễ bị hút theo vào lò do áp suất âm mà luồng phun tạo nên. 4.6. HỆ THỐNG CẤP GIÓ Hệ thống cấp gió cho lò nhằm cung cấp lượng không khí cần thiết để đốt cháy nhiên liệu cũng như một áp lực cần thiết cho thiết bị đốt nhiên liệu, đồng thời nó đóng vai trò quyết định đối với chuyển động cơ học khí và phân bố chế độ áp suất trong lò. Một hệ thống cấp gió đầy đủ bao gồm các bộ phận chính sau đây: quạt gió (quạt ly tâm), các đường ống dẫn gió (ống cứng và ống mềm), các van điều chỉnh, bộ phận trao đổi nhiệt để nung trước không khí, các thiết bị đo lưu lượng, áp suất và điều chỉnh tự động… Hình : 1. Nguyên tắc bố trí hệ thống cấp gió - Hệ thống đường cấp gió càng thẳng, càng ngắn càng tốt để giảm trở lực chung và không gây trở ngại đến thao tác và vận hành trong xưởng. - Khi lò có nhiều thiết bị đốt hay trong xưởng có nhiều lò: có thể sử dụng một hệ thống cấp gió chung (tiện theo dõi, vận hành), nhưng phải tính toán đảm bảo áp suất và lưu lượng cần cung cấp đồng thời. Lắp các van để điều tiết lưu lượng gió phân phối cho từng thiết bị. - Tốc độ không khí chuyển động trong ống dẫn: chọn 8-10m/s đối với không khí lạnh, 4-6m/s đối với không khí nóng. - Ống dẫn không khí thường chế tạo bằng kim loại, đối với không khí nóng ống phải được bọc cách nhiệt. 2. Tính toán và chọn quạt gió Hai thông số công nghệ chính để chọn quạt gió là lưu lượng và áp suất quạt. Lưu lượng quạt: phải đảm bảo lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu và dự phòng để cường hóa quá trình. Aùp suất quạt: phải đảm bảo thắng mọi trở lực trên đường cấp gió, tạo áp lực gió đủ lớn trước mỏ đốt theo yêu cầu và duy trì chuyển động cơ học khí trong lò. Do đó trong lò công nghiệp thường sử dụng quạt ly tâm, chia theo áp suất sử dụng như sau: quạt áp suất thấp (P300mmH20) b. THIẾT KẾ QUẠT GIÓ Căn cứ vào Vq và Hq, có thể tính toán thiết kế quạt gió theo yêu cầu và đạt hiệu suất cao nhất, song trong thực tế thường dựa vào các biểu đồ lập sẵn cho các loại quạt tiêu chuẩn để lựa chọn. c. CHỌN QUẠT GIÓ Trong công nghiệp, quạt gió được tiêu chuẩn hóa về lưu lượng và áp suất, mỗi loại quạt được xây dựng đường đặc tính động P=f(V). Khi quạt được đấu trên một hệ thống lưới sẽ cho đường đặc tính lưới P = k.V2 tương ứng, k là hệ số đặc trưng cho hệ thống lưới về mặt tổn thất năng lượng. Giao điểm của đường đặc tính quạt và đường đặc tính lưới cho ta điểm làm việc A của quạt, ứng với áp suất PA và lưu lượng VA, đồng thời có tốc độ quạt nA và hiệu suất quạt nA. Để thuận tiện cho việc chọn quạt, người ta lập sẵn biểu đồ đặc tính của mỗi loại quạt ứng với các đường đẳng tốc độ n và đẳng hiệu suất n của quạt. Theo mỗi loại biểu đồ đặc tính quạt, khi quạt thỏa mãn yêu cầu về lưu lượng Vq và áp suất Pq sẽ đạt được hiệu suất n và có tốc độ quạt n tương ứng, do đó nên chọn loại quạt gió sao cho có hiệu suất n cao (trên 0,5) và tốc độ n cho phép. Nếu áp suất động của quạt chọn vượt quá 5% so với áp suất động sơ bộ ban đầu thì phải chọn lại quạt. Hình : 3. Phương pháp điều chỉnh quạt: Để đáp ứng yêu cầu thay đổi về áp suất và lưu lượng gió cung cấp cho hệ thống, có thể áp dụng các biện pháp sau đây: a. THAY ĐỔI ĐẶC TÍNH LƯỚI CỦA QUẠT Thay đổi trở lực trên đường dẫn gió như đóng mở van gió, cấu tạo và bố trí hệ thống đường ống, sẽ làm thay đổi đường đặc tính lưới: điểm làm việc chuyển từ 1 sang 2. b. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ QUẠT: Khi thay đổi tốc độ quay n của quạt, các thông số khác thay đổi theo qui luật sau: Phương pháp này đơn giản, song bị hạn chế bởi độ rung và tiếng ồn khi tăng nhiều tốc độ quay của quạt. Hình : 4.7. HỆ THỐNG THOÁT KHÓI Hệ thống thoát khói làm nhiệm vụ dẫn khói thải của lò thoát ra môi trường, có ảnh hưởng đến sự chuyển động của khí và chế độ áp suất trong lò. Bao gồm các bộ phận chính sau: - Các đường kênh khói, cống khói và ống khói - Quạt hút và các thiết bị khác (van khói, thiết bị trao đổi nhiệt). 1. Nguyên tắc bố trí hệ thống thoát khói - Hệ thống thoát khói càng ngắn, càng thẳng càng tốt. Trong trường hợp riêng (công nghệ và kết cấu cho phép) thì có thể bố trí ống thoát khói ngay phía trên nóc lò. - Vị trí và số lượng miệng kênh khói được bố trí phù hợp với cơ học khí trong lò, thường nằm trên đáy lò (nơi có áp suất gần bằng không). - Cống khói làm nhiệm vụ dẫn khói từ kênh khói đến ống khói. Ở các lò lớn, cống khói thường đi ngầm trong xưởng tới nơi đặt ống khói. Trên đường thoát khói, thường đặt các van khói để điều chỉnh lượng khói thải và chế độ áp suất trong lò. - Ống khói có độ cao công nghệ tạo nên sức hút hình học thắng mọi trở lực trên đường thoát khói để đưa khói thải ra ngoài môi trường. Ngoài ra, ống khói còn có tác dụng phát tán khí bụi thải ô nhiễm nên cần có chiều cao cần thiết (vượt khỏi mái nhà xung quanh…). - Ống khói được xây bằng vật liệu chịu lửa (khi nhiệt độ khói > 4000C) hay bằng kim loại (khi < 4000C). Tốc độ khói thải trong kênh và cống khói 1-3m/s, trong ống khói 3-4m/s. - Nếu trong một xưởng có nhiều lò thì có thể dùng chung một hệ thống thoát khói (gọn, tiết kiệm), nhưng phải đảm bảo lưu lượng tổng khi thoát khói đồng thời và lực hút của ống khói chung (tính theo đường dẫn khói có trở lực lớn nhất).