Giáo trình Lò luyện kim

146 trang ngocly 1450

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Lò luyện kim", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_lo_luyen_kim.pdf

Nội dung text: Giáo trình Lò luyện kim

đại học đà nẵng Tr−ờng đại học bách khoa [ \ Hoàng Minh Công Giáo trình Lò luyện kim Đà nẵng - 2005
Ch−ơng 1 Khái niệm và các đặc tr−ng cơ bản 1.1. Khái niệm Trong công nghiệp nói chung và ngành luyện kim nói riêng, nhiều quá trình công nghệ, chẳng hạn nh− quá trình nấu chảy, quá trình nung nóng vật liệu hoặc sản xuất vật liệu mới đòi hỏi phải tiến hành ở nhiệt độ cao hoặc rất cao. Để thực hiện các quá trình công nghệ này, ng−ời ta xây dựng các thiết bị nhiệt gọi chung là lò công nghiệp. Lò là thiết bị đảm nhận việc tạo ra nguồn nhiệt có công suất lớn với mức độ tập trung cao, đồng thời là nơi tổ chức quá trình trao đổi nhiệt để cung cấp nhiệt cho vật liệu gia công. Nhiệt cung cấp cho lò có thể là nhiệt sinh ra do đốt cháy nhiên liệu, do biến đổi điện năng thành nhiệt năng hoặc nhiệt tự phát sinh nhờ các phản ứng hóa học phát nhiệt xẩy ra trong quá trình gia công vật liệu. Nhiệt từ nguồn nhiệt đ−ợc truyền cho vật liệu gia công làm biến đổi trạng thái, tính chất của vật liệu gia công, chuẩn bị cho các b−ớc công nghệ tiếp theo hoặc tạo ra vật liệu mới. Sự trao đổi nhiệt trong lò có thể thực hiện bằng truyền nhiệt bức xạ, đối l−u, dẫn nhiệt hoặc phối hợp các dạng truyền nhiệt trên. Cấu trúc lò hợp lý và chế độ nhiệt phù hợp với yêu cầu công nghệ là những yếu tố ảnh h−ởng trực tiếp và có tính quyết định đến chất l−ợng, giá thành sản phẩm cũng nh− năng suất và các chỉ tiêu kinh tế khác của lò. Lò công nghiệp là một thiết bị đ−ợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Trong ngành luyện kim lò đ−ợc dùng để thiêu kết quặng, luyện thép, nấu hoặc luyện gang, nấu hoặc luyện các kim loại và hợp kim màu, nung kim loại Trong ngành vật liệu xây dựng sử dụng các lò nung vật liệu nh− nung vôi, nung gạch, nung clinke sản xuất xi măng, nấu chảy men, nấu thuỷ tinh. Các lò sấy dùng để sấy nguyên vật liệu hoặc nông lâm sản trong chế biến. Hiện nay lò công nghiệp sử dụng tới 50% l−ợng nhiên liệu đốt hàng năm và khoảng 25% l−ợng điện sản xuất ra. 1.2. Phân loại Lò công nghiệp, cũng nh− lò luyện kim đ−ợc phân loại theo các đặc tr−ng cơ bản sau: + Nguồn nhiệt sử dụng. + Đặc điểm công nghệ. + Chế độ công tác nhiệt. -5-
+ Kết cấu của lò. 1.2.1. Phân loại theo nguồn nhiệt sử dụng Theo nguồn nhiệt sử dụng, các lò công nghiệp đ−ợc chia làm ba nhóm: + Lò dùng nhiên liệu. + Lò dùng điện năng. + Lò tự phát nhiệt. Mỗi nhóm lại đ−ợc phân ra các loại tuỳ theo đặc tr−ng chung của chúng. a) Lò dùng nhiên liệu: sử dụng nhiệt sinh ra do đốt cháy nhiên liệu. Theo trạng thái của nhiên liệu, các lò dùng nhiên liệu đ−ợc chia ra ba loại: + Lò dùng nhiên liệu rắn: than đá, than cốc, than củi + Lò dùng nhiên liệu lỏng: dầu mazut, dầu điêzen + Lò dùng nhiên liệu khí: khí lò cốc, khí lò cao, khí thiên nhiên b) Lò dùng điện: sử dụng điện năng biến đổi thành nhiệt năng. Theo ph−ơng pháp biến đổi điện năng thành nhiệt năng ng−ời ta chia ra các loại: + Lò điện trở: biến đổi điện năng thành nhiệt năng dựa trên hiện t−ợng toả nhiệt khi cho dòng điện đi qua một điện trở hoặc vật dẫn có điện trở lớn. Thí dụ lò điện trở nấu kim loại màu, lò điện trở nung kim loại, lò điện trở sấy vật liệu + Lò điện cảm ứng: biến đổi điện năng thành nhiệt năng dựa trên cơ sở của hiện t−ợng cảm ứng điện từ. Thí dụ lò điện cảm ứng nấu thép, nấu gang + Lò điện hồ quang: biến đổi điện năng thành nhiệt năng dựa trên cơ sở hiện t−ợng phóng hồ quang giữa các điện cực khi đặt gần nhau. Thí dụ lò điện hồ quang trực tiếp nấu thép, gang, sản xuất đất đèn, lò điện hồ quang gián tiếp nấu đồng c) Các lò tự phát nhiệt: sử dụng nhiệt do các phản ứng phát nhiệt sinh ra ngay trong bản thân vật liệu trong quá trình gia công. Thí dụ trong các lò chuyển luyện thép thổi oxy nhiệt cấp cho lò chủ yếu là do phản ứng cháy của các tạp chất C, Si, Mn. 1.2.2. Phân loại theo đặc điểm công nghệ Theo đặc điểm công nghệ, các lò công nghiệp đ−ợc phân ra: a) Lò nấu chảy: vật liệu gia công đ−ợc nung nóng và làm nóng chảy hoàn toàn. Thí dụ: các lò luyện thép, lò cao luyện gang, lò nấu hợp kim màu, lò nấu thuỷ tinh b) Lò nung: vật liệu gia công bị nung nóng nh−ng không bị hoá lỏng. Thí dụ lò nung kim loại trong gia công áp lực, nhiệt luyện, lò nung gạch, vôi, clinke . -6-
1.2.3. Phân loại theo chế độ công tác nhiệt Theo đặc tr−ng truyền nhiệt từ nguồn nhiệt tới bề mặt vật liệu gia công trong lò, ng−ời ta phân ra: + Các lò làm việc ở chế độ bức xạ. + Các lò làm việc ở chế độ đối l−u. + Các lò làm việc ở chế độ lớp. a) Lò làm việc ở chế độ bức xạ: sự truyền nhiệt tới bề mặt vật liệu gia công chủ yếu bằng truyền nhiệt bức xạ. Theo sự phân bố dòng nhiệt từ nguồn nhiệt tới vật nung và từ nguồn nhiệt tới t−ờng, nóc lò, ng−ời ta phân ra ba loại: + Chế độ bức xạ phân bố đều. + Chế độ bức xạ trực tiếp. + Chế độ bức xạ gián tiếp. Thông th−ờng lò đ−ợc coi là làm việc ở chế độ bức xạ khi nhiệt độ trong không gian làm việc của lò trên 600oC. Thí dụ lò nung thép để gia công áp lực hoặc nhiệt luyện, lò phản xạ nấu nhôm, đồng b) Lò làm việc ở chế độ đối l−u: sự truyền nhiệt tới bề mặt vật liệu gia công chủ yếu bằng trao đổi nhiệt đối l−u. Trong các lò làm việc ở chế độ đối l−u, trao đổi nhiệt đ−ợc thực hiện thông qua một môi chất chuyển động tiếp xúc với vật liệu gia công. Theo nguồn gốc lực tác động gây ra chuyển động của môi chất, ng−ời ta phân ra: + Chế độ đối l−u tự nhiên. + Chế độ đối l−u c−ỡng bức. Thông th−ờng các lò có nhiệt độ làm việc d−ới 600oC thuộc lò làm việc ở chế độ đối l−u. Thí dụ: lò sấy vật liệu, nông sản, thực phẩm, lò ram thép c) Lò làm việc theo lớp: vật liệu gia công là vật liệu dạng hạt đ−ợc chất đầy toàn bộ hay một phần không gian làm việc của lò thành lớp, còn khí nóng chuyển động qua lớp hạt và truyền nhiệt cho chúng. Trong lò tồn tại cả ba dạng trao đổi nhiệt: bức xạ, đối l−u và dẫn nhiệt. Theo trạng thái của các hạt vật liệu trong lớp, ng−ời ta phân ra: + Chế độ lớp chặt. + Chế độ lớp sôi. + Chế độ lớp lơ lững. -7-
1.2.4. Phân loại theo kết cấu Theo kết cấu lò đ−ợc chia ra các loại: lò đứng, lò tang quay, lò buồng, lò hầm, lò giếng, lò nhiều vùng . . . 1.3. Các đặc tr−ng cơ bản của lò công nghiệp Các đặc tr−ng cơ bản của một lò công nghiệp bao gồm: + Chế độ nhiệt độ. + Chế độ nhiệt. + Công suất nhiệt. + Năng suất. + Hiệu suất của lò. + Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn. 1.3.1. Chế độ nhiệt độ của lò a) Nhiệt độ lò: nhiệt độ lò là nhiệt độ trung bình giữa nhiệt độ của nguồn nhiệt và nhiệt độ của t−ờng, nóc lò. Nhiệt độ lò phụ thuộc vào nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu, phụ tải nhiệt của lò, cấu trúc và tính chất cách nhiệt của lò. o t lò = η.tlt ; [ C] (1.1) Trong đó: o + tlt là nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu, [ C]. + η là hệ số xét đến ảnh h−ởng của cấu trúc và tính chất cách nhiệt của lò. Trong thực tế nhiệt độ của lò th−ờng đ−ợc đo bằng các cặp nhiệt điện. b) Chế độ nhiệt độ của lò: là quy luật thay đổi của nhiệt độ lò theo thời gian. tlò = f (τ) (1.2) Những lò có nhiệt độ không thay đổi theo thời gian gọi là lò có chế độ nhiệt độ ổn định. ∂t lò = 0 hay t = const. ∂τ lò Những lò có nhiệt độ thay đổi theo thời gian gọi là lò có chế độ nhiệt độ không ổn định. ∂t lò ≠ 0 hay t ≠ const. ∂τ lò -8-
1.3.2. Chế độ nhiệt của lò L−ợng nhiệt cấp cho lò tại một thời điểm nhất định đ−ợc gọi là phụ tải nhiệt của lò tại thời điểm đó và quy luật thay đổi phụ tải nhiệt theo thời gian đ−ợc gọi là chế độ nhiệt của lò. Q = f(τ) (1.3) Những lò có phụ tải nhiệt không thay đổi theo thời gian đ−ợc gọi là lò có chế độ nhiệt ổn định. ∂Q = 0 hay Q = const ∂τ Những lò có phụ tải nhiệt thay đổi theo thời gian đ−ợc gọi là lò có chế độ nhiệt không ổn định. ∂Q ≠ 0 hay Q ≠ const ∂τ 1.3.3. Công suất nhiệt của lò Công suất nhiệt của lò là phụ tải nhiệt lớn nhất mà lò có thể tiếp nhận đ−ợc trong một đơn vị thời gian mà vẫn đảm bảo điều kiện làm việc bình th−ờng. Công suất nhiệt th−ờng đ−ợc tính bằng [KW]. 1.3.4. Năng suất của lò Năng suất của lò là l−ợng sản phẩm gia công đ−ợc bởi lò trong một đơn vị thời gian. Năng suất lò th−ờng đ−ợc tính bằng [kg/h], [tấn/h] hoặc [kg/ngày], [tấn/ngày]. Ngoài ra, để so sánh năng suất của các lò khác nhau, ng−ời ta còn dùng khái niệm năng suất riêng hay còn gọi là c−ờng độ đáy lò, đó là l−ợng sản phẩm gia công đ−ợc ứng với một đơn vị diện tích đáy lò trong một đơn vị thời gian. Thông th−ờng c−ờng độ đáy lò đ−ợc tính theo [kg/m2.h]. 1.3.5. Các hiệu suất của lò a) Hiệu suất sử dụng nhiệt có ích Hiệu suất sử dụng nhiệt có ích của lò là tỉ số giữa l−ợng nhiệt có ích để gia công vật liệu và toàn bộ l−ợng nhiệt cấp từ bên ngoài vào cho lò trong cùng một đơn vị thời gian. Q cóích ηq = ⋅100 ; [%] (1.4) ∑Q cấp L−ợng nhiệt cấp cho lò từ ngoài vào xác định theo công thức: -9-
vl vl ∑Q cấp = Q c + Q kk + Q nl ; [kj/h] (1.5) Trong đó: + Q c là −ợng nhiệt do đốt cháy nhiên liệu, đ−ợc xác định theo công thức: Q c = B. Qd; [kj/h] (1.6) vl + Q kk là l−ợng nhiệt vật lý do nung nóng tr−ớc không khí đ−ợc xác định theo công thức: vl c d Q kk = BL n f(i kk − i kk ) ; [kj/h] (1.7) vl + Q nl là l−ợng nhiệt vật lý do nung nóng tr−ớc nhiên liệu đ−ợc xác định theo công thức: vl c d Q nl = B(i nl − i nl ) ; [kj/h] (1.8) Với: B là l−ợng nhiên liệu đốt cháy trong một giờ, [kg/h] hoặc [m 3 /h]. 3 Qd - nhiệt trị thấp của nhiên liệu, [kj/ kg] hoặc [kj/m ]. 3 3 Ln - l−ợng không khí dùng để đốt cháy 1 kg hoặc 1m nhiêu liệu,[m /kg] hoặc [m 3 /m 3 ]. f - tỉ lệ không khí nung nóng tr−ớc. d d 3 i kk , i nl - nhiệt hàm không khí và nhiên liệu tr−ớc khi nung, [kj/m ]. c c 3 i kk , i nl - nhiệt hàm không khí và nhiên liệu sau khi nung, [kj/m ]. L−ợng nhiệt có ích xác định theo công thức sau: Qcó ích =Qvật liệu + Qxỉ + Qthu - Qtoả ; [kj/h] (1.9) Trong đó: + Qvật liệu - l−ợng nhiệt cần thiết để gia công vật liệu, [kj/h]. + Qxỉ - l−ợng nhiệt cần thiết để tạo xỉ, [kj/h]. + Qthu - l−ợng nhiệt cấp cho các phản ứng thu nhiệt, [kj/h]. + Qtoả - l−ợng nhiệt toả ra từ các phản ứng toả nhiệt, [kj/h]. Ta có công thức tổng quát xác định hiệu suất nhiệt có ích nh− sau: Q vật liệu + Q xỉ + Q thu − Q toả ηcó ích = vl vl ⋅100 [%] (1.10) Q c + Q kk + Q nl b) Hiệu suất sử dụng nhiên liệu có ích Hiệu suất sử dụng nhiên liệu có ích là tỉ số giữa l−ợng nhiệt có ích và l−ợng nhiệt cấp vào lò do đốt cháy nhiên liệu: -10-
Q có ích ηnhiên liệu = ⋅100 ; [%] (1.11a) Q c Q vật liệu + Q xỉ + Q thu − Q toả Hay: ηnhiên liệu = ⋅100 [%] (1.11b) Q c c) Hiệu suất sử dụng nhiệt của lò Ngoài l−ợng nhiệt có ích, một l−ợng nhiệt đáng kể bị mất mát ngay tại lò do truyền nhiệt qua t−ờng lò, bức xạ qua cửa lò, do khói rò qua cửa, do n−ớc làm nguội, tích nhiệt của t−ờng lò, nung nóng các giá đở Để đặc tr−ng cho khả năng sử dụng nhiệt và cấu trúc của lò (về ph−ơng diện nhiệt) ng−ời ta sử dụng khái niệm hiệu suất sử dụng nhiệt của lò, đó là tỉ số giữa tổng l−ợng nhiệt có ích và l−ợng nhiệt mất mát tại lò so với toàn bộ l−ợng nhiệt cấp cho lò. Q có ích +∑Q mất mát tại lò ηq = ⋅100 ; [%] (1.12a) ∑Q cấp ∑Q cấp − Q khói thải Hay: ηq = ⋅100 ; [%] (1.12b) ∑Q cấp So sánh công thức (1-4) và (1-12a) ta thấy hiệu suất sử dụng nhiệt bao giờ cũng lớn hơn hiệu suất sử dụng nhiệt có ích. Nếu cấu trúc lò hợp lý, sao cho mất mát nhiệt tại lò là không đáng kể, thì hiệu suất sử dụng nhiệt có ích có giá trị xấp xỉ với hiệu suất sử dụng nhiệt, khi đó về ph−ơng diện sử dụng nhiệt thì lò có cấu trúc tốt nhất. 1.3.6. Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn Trong thực tế, các lò công nghiệp sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau và cấu trúc lò, công nghệ gia công cũng khác nhau, bởi vậy để đánh giá và so sánh chúng về ph−ơng diện nhiệt ng−ời ta dùng khái niệm suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn, đó là l−ợng nhiên liệu tiêu chuẩn cần thiết để gia công một ki-lô-gam vật liệu, với quy −ớc một ki-lô-gam nhiên liệu tiêu chuẩn có nhiệt trị thấp bằng 7.000 kcal/kg hoặc 29.300 kj/kg. B ⋅Q d ⎡kg nhiê n liệu tiê u chuẩn⎤ b = ; ⎢ ⎥ (1.13) 29 300⋅ P ⎣⎢ kg vật liệu gia công ⎦⎥ Trong đó: B - l−ợng tiêu hao nhiên liệu [kg/h]. Qd - nhiệt trị thấp của nhiên liệu [kj/kg]. P - năng suất lò [kg/h]. -11-
Ch−ơng 2 công tác nhiệt của lò 2.1 Chế độ làm việc bức xạ Chế độ làm việc bức xạ là chế độ làm việc mà sự trao đổi nhiệt bên ngoài của lò chủ yếu bằng truyền nhiệt bức xạ. Thông th−ờng các lò có nhiệt độ làm việc cao (trên 600 - 700oC) đều làm việc ở chế độ bức xạ. 2.1.1. Một số khái niệm và định luật cơ bản về truyền nhiệt bức xạ a) Bức xạ nhiệt và sự hấp thụ năng l−ợng bức xạ Theo vật lý học hiện đại thì bức xạ nhiệt là một hiện t−ợng phức tạp, ở một số tr−ờng hợp nó có tính chất sóng, ở một số tr−ờng hợp khác nó lại có tính chất hạt, nghĩa là những luồng hạt bay rất nhanh gọi là l−ợng tử hay phô-tông. Ngày nay, ng−ời ta coi bức xạ nhiệt là một dạng của sóng điện từ, có b−ớc sóng từ 0,76 - 400 àm. Khả năng bức xạ nhiệt của một vật thể đ−ợc đánh giá qua năng l−ợng bức xạ ứng với một đơn vị diện tích bề mặt vật thể trong một đơn vị thời gian: Q E = ; [W/m2] (2.1) F Trong đó : Q là l−ợng năng l−ợng bức xạ của vật thể trong một đơn vị thời gian, [J/s]. F là diện tích bề mặt của vật thể, [m2]. Năng l−ợng bức xạ ứng với các tia nhiệt có chiều dài b−ớc sóng khác nhau thì khác nhau, c−ờng độ bức xạ đơn sắc (Iλ) ứng với một chiều dài b−ớc sóng (λ) xác định bởi công thức : dE I = ; [W/m2.m] (2.2) λ dλ Khi một luồng bức xạ nhiệt (Q) đập tới một vật thể khác, một phần bị vật thể hấp thụ (QA), một phần bị phản xạ trở lại (QR) còn một phần nó cho đi qua (QD). Q A + Q R + Q D = Q Q Q Q Q Suy ra A + R + D = = 1 Q Q Q Q Hay A + R + D = 1 (2.3) Trong đó : A - là khả năng hấp thụ ( hệ số hấp thụ). - 12 -
R - là khả năng phản xạ (hệ số phản xạ). D - là khả năng cho qua (hệ số cho qua). Dựa vào khả năng hấp thụ, phản xạ và cho qua đối với bức xạ nhiệt, ng−ời ta phân chia các vật thể ra nh− sau: + Vật đen tuyệt đối : A = 1; R = 0; D = 0. + Vật trắng tuyệt đối : A = 0; R = 1; D = 0. + Vật trong suốt : A = 0; R = 0; D = 1. + Vật xám : A + R = 1; D = 0. Trên thực tế không có vật đen tuyệt đối, tức là các vật hấp thụ hoàn toàn, không phản xạ và cũng không cho qua các tia nhiệt với mọi chiều dài b−ớc sóng đập tới nó. Ng−ời ta coi các vật thể hấp thụ hầu hết các tia nhiệt bức xạ tới nó và chỉ phản xạ một phần nhỏ là vật đen. Trong lò công nghiệp, hầu hết các vật liệu ở thể rắn và thể lỏng đ−ợc coi là vật xám (A+R=1), các sản phẩm cháy ở thể khí chỉ có khả năng hấp thụ và cho qua mà không có khả năng phản xạ ( R =0). b) Sự bức xạ và hấp thụ năng l−ợng bức xạ của vật đen tuyệt đối Mẫu vật đen tuyệt đối đ−ợc chế tạo bằng cách lấy một khối cầu rỗng làm bằng vật liệu hoàn toàn đục ( D=0) rồi khoét một lỗ nhỏ trên thành của nó, bất kỳ một tia nhiệt nào đi qua lỗ vào trong khối cầu đều bị hấp thụ hoàn toàn mặc dầu mặt trong của nó có khả năng phản xạ. a) b) Hình 2.1 Mẫu vật đen tuyệt đối a) Hấp thụ b) Bức xạ Bằng thực nghiệm và lý thuyết ng−ời ta đã chứng minh đ−ợc các định luật về bức xạ của vật đen tuyệt đối nh− sau: + Định luật Plăng: xác lập quan hệ giữa c−ờng độ bức xạ của vật đen tuyệt đối với chiều dài b−ớc sóng và nhiệt độ tuyệt đối của nó: - 13 -
−5 C1.λ W I λ = ; [ ] (2.4) C 2 m 2 .m e λT −1 Trong đó: C1, C2 là các hằng số thực nghiệm. −16 2 C1 = 3,69.10 [W.m ] −2 o C 2 ≈ 1,44.10 [m. K] + Định luật Stêphan-Bolzman: xác lập quan hệ giữa khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ tuyệt đối của nó: ∞ Kcal E = I.dλ =σ T 4 ; [ ] hay [W/m2] (2-5a) 0 ∫ 0 2 π=0 m .h Trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối của vật, [oK]. σ0 là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối: W σ = 5,7.10−8 ; [ ] 0 m 2 .o K 4 Công thức (2-5a) th−ờng đ−ợc viết d−ới dạng sau: 4 ⎛ T ⎞ 2 Kcal E 0 = C 0 ⎜ ⎟ ; [W/m ] hay [ ] (2.5b) ⎝100 ⎠ m 2 .h W C = 5,7 cũng đ−ợc gọi là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối, [ ] 0 m 2 .o K 4 + Định luật Lăm-bec-ta: xác lập sự phân bố năng l−ợng bức xạ theo các h−ớng trong không gian. Theo định luật Lăm-béc-ta, mật độ tia bức xạ đi ra từ lỗ hở của mẫu vật đen tuyệt đối theo các h−ớng khác nhau thì khác nhau, nó tỉ lệ với cosin của góc ϕ là góc tạo thành bởi h−ớng nghiên cứu với pháp tuyến của mặt phẳng lỗ hở: E ϕ = E n cosϕ (2.6) Trong đó: En, Eϕ là mật độ tia năng l−ợng theo h−ớng pháp tuyến và h−ớng nghiên cứu, ϕ là góc giữa h−ớng nghiên cứu và h−ớng pháp tuyến. + Định luật bình ph−ơng khoảng cách: mật độ tia bức xạ tỉ lệ nghịch với bình ph−ơng khoảng cách tới nguồn bức xạ: E E = 1 (2.7) r r2 - 14 -
Trong đó: E1 là mật độ tia bức xạ ở khoảng cách một mét từ nguồn bức xạ, Er là mật độ tia bức xạ ở khoảng cách r mét tới nguồn bức xạ. c) Sự bức xạ và hấp thụ năng l−ợng bức xạ của vật xám Trong thực tế tính toán nhiệt trong các lò công nghiệp ng−ời ta thừa nhận bức xạ của các vật rắn và chất lỏng là bức xạ của vật xám và gọi là bức xạ xám. Đối với vật xám lý t−ởng, c−ờng độ bức xạ của nó chỉ khác với c−ờng độ bức xạ của vật đen tuyệt đối bởi một hệ số ε nào đó (ε < 1) ở cùng một nhiệt độ và b−ớc sóng. Bởi vậy, khả năng bức xạ của vật xám có thể xác định theo công thức: 4 E = εE 0 = εσ0 T (2.8a) 4 4 ⎛ T ⎞ ⎛ T ⎞ Hay E = εC 0 ⎜ ⎟ = C.⎜ ⎟ (2.8b) ⎝100 ⎠ ⎝100 ⎠ Hệ số ε đ−ợc gọi là độ đen của vật xám, C đ−ợc gọi là hệ số bức xạ của vật xám. Nghiên cứu khả năng hấp thụ bức xạ của các vật thể nói chung và vật xám nói riêng, ng−ời ta thấy nếu một vật thể có khả năng hấp thụ năng l−ợng bức xạ mạnh thì nó cũng có khả năng bức xạ mạnh. Theo định luật Kiếc-khốp thì: Tỉ số giữa khả năng bức xạ của vật xám và khả năng hấp thụ của nó có giá trị đồng nhất với mọi vật xám và bằng khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ trên. E1 E 2 E n = = ⋅⋅⋅ = = E 0 (2-9) A1 A 2 A n So sánh (2.8a) và (2.9) ta thấy với vật xám, giá trị của hệ số hấp thụ A cũng bằng độ đen ε của nó. d) Sự bức xạ và hấp thụ năng l−ợng bức xạ của khí Trong các lò luyện kim, khói lò bao gồm các khí có một, hai hay nhiều nguyên tử, những khí có một hay hai nguyên tử nh− Ar, N2, O2, H2, CO có quang phổ bức xạ là những dải hẹp cho nên tổng năng l−ợng bức xạ của những khí này ở nhiệt độ cao không lớn lắm. Thực tế có thể coi những khí này hoàn toàn không bức xạ nhiệt và cũng không hấp thụ năng l−ợng bức xạ đi qua nó. Bởi vậy, không khí sạch có thể coi nh− vật hoàn toàn trong suốt. Những khí có ba hay nhiều nguyên tử có khả năng hấp thụ và bức xạ khá mạnh ở nhiệt độ cao. Trong các lò luyện kim, quan trọng nhất là sự bức xạ của khí CO2 và H2O, quang phổ của chúng trình bày trên hình 2.2. - 15 -
Khí CO2: 2,36 - 3,02 àm; 4,01 - 4,08 àm; 12,5 - 16,3 àm. Hơi n−ớc : 2,24 - 2,27 àm; 4,80 - 8,5 àm; 12 -25 àm. IH2O ICO2 λ (àm) λ(àm) Hình 2.2 Quang phổ bức xạ của khí CO và H O 2 2 Năng l−ợng bức xạ của khí CO2 và H2O phụ thuộc vào áp suất riêng phần của khí (p), chiều dày có hiệu quả của lớp khí (Shq) và nhiệt độ, có thể xác định bằng công thức sau: 1 3,5 3 ⎛ T ⎞ 2 E CO = 4,1.(pS hq ) ⎜ ⎟ ; [W/m ] (2.10) 2 ⎝100 ⎠ 3 0,8 0,6 ⎛ T ⎞ 2 E H O = 40,7.p .S hq ⎜ ⎟ ; [W/m ] (2.11) 2 ⎝100 ⎠ Từ các công thức trên ta nhận thấy bức xạ nhiệt của khí CO2 và H2O không tuân đúng theo định luật Stêphan- Bôlzman. Tuy nhiên để tính toán đ−ợc thuận lợi ng−ời ta coi bức xạ của khí cũng tuân theo định luật Stêphan- Bôlzman nh−ng độ đen của chúng phụ thuộc nhiệt độ. 4 ⎛ T ⎞ E k = ε k C 0 ⎜ ⎟ (2.12) ⎝100 ⎠ Độ đen của khí εk xác định theo công thức: ε = ε + βε (2.13) k CO2 H2O Biểu đồ xác định ε , ε và β có dạng nh− trên hình 2.3. CO2 H2O Chiều dày có hiệu quả của lớp khí bức xạ tính theo công thức: 4V S = η (2.14) hq F Trong đó: - 16 -
+ η là hệ số đặc tr−ng cho phần năng l−ợng của khí đến bề mặt vật nung hay t−ờng lò. Th−ờng η = 0,9 - 0,95. + V là thể tích khối khí, m3. + F là diện tích bề mặt bao quanh khối khí, m2. ε CO 2 ε p .S p .S H2O H2O hq CO2 hq β p .S H2O hq o p H O toC t C 2 Hình 2.3 Biểu đồ tra ε , ε và β CO2 H2O e) Hệ số góc bức xạ Xét hai bề mặt tham gia trao đổi nhiệt có diện tích là F1 và F2, nếu từ bề mặt F1 bức xạ một năng l−ợng Q1 ra môi tr−ờng bao quanh thì chỉ một phần năng l−ợng bức xạ này đập tới bề mặt F2 và ng−ợc lại cũng vậy. Ng−ời ta gọi tỉ số giữa phần năng l−ợng bức xạ đập tới F2 (Q12) trên tổng năng l−ợng bức xạ của mặt F1 là hệ số góc bức xạ từ mặt F1 tới mặt F2, ký hiệu là ϕ12: Q12 ϕ12 = (2-14a) Q1 T−ơng tự ta có hệ số góc bức xạ từ mặt F2 tới mặt F1 là: Q 21 ϕ21 = (2-14b) Q 2 Hệ số góc bức xạ không phụ thuộc nhiệt độ, hệ số bức xạ, khoảng cách giữa hai mặt mà nó hoàn toàn đ−ợc xác định bởi các góc đặc tr−ng cho vị trí t−ơng đối giữa hai mặt trong không gian. D−ới đây là giá trị của số hệ số góc bức xạ trong một số tr−ờng hợp đơn giản (hình 2.4): - Tr−ờng hợp (a): Hai mặt phẳng song song có khoảng cách nhỏ. ϕ12 = ϕ21 = 1 - 17 -
- Tr−ờng hợp (b): Hai mặt cầu hoặc hai mặt trụ có khoảng cách bé so với chiều dài lồng nhau: F1 ϕ12 = 1 và ϕ21 = F2 F2 F2 F1 F2 F2 F F 1 1 F1 a) b) c) d) Hình 2.4 Sơ đồ tính hệ số góc bức xạ giữa hai bề mặt - Tr−ờng hợp (c): Mặt cầu rỗng và mặt phẳng cắt nhau. F1 ϕ12 = 1 và ϕ21 = F2 - Tr−ờng hợp (d): Hai mặt chỏm cầu tạo thành mặt cầu. F2 F1 ϕ12 = và ϕ21 = F1 + F2 F1 + F2 2.1.2. Chế độ làm việc bức xạ phân bố đều a) Truyền nhiệt ở chế độ bức xạ phân bố đều ở chế độ bức xạ phân bố đều, dòng nhiệt bức xạ từ nguồn nhiệt tới bề mặt vật nung bằng dòng nhiệt bức xạ từ nguồn nhiệt tới t−ờng và nóc lò (gọi chung là t−ờng lò). V T q N = q N Đặc tr−ng của chế độ bức xạ phân bố đều là sự phân bố đồng đều của nhiệt độ và độ đen của nguồn nhiệt trong toàn bộ thể tích không gian làm việc của lò. Khi lò làm việc ở chế độ phân bố đều, t−ờng lò đóng vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi nhiệt. Có thể coi t−ờng lò nh− vật trung gian tham gia vào quá trình trao đổi nhiệt giữa nguồn nhiệt và vật nung. Do độ đen t−ờng lò khá lớn (εT > 0,6), trong quá trình trao đổi nhiệt, t−ờng lò hấp thụ mạnh bức xạ nhiệt từ nguồn nhiệt đập tới, làm cho nhiệt độ tăng lên và trở thành vật bức xạ truyền nhiệt tới vật nung. Khi ở trạng thái ổn định, nhiệt độ t−ờng lò càng cao thì l−ợng nhiệt bức xạ truyền từ t−ờng lò - 18 -
tới vật nung càng lớn, nếu độ đen của ngọn lửa εN = 1và tổn thất nhiệt qua t−ờng q tt = 0 thì nhiệt độ t−ờng lò đạt cực đại và bằng nhiệt độ ngọn lửa: TT = TN Trong thực tế, do εN 0 nên nhiệt độ t−ờng th−ờng nằm trong khoảng giữa nhiệt độ vật nung và nhiệt độ ngọn lửa: TV < TT < TN Độ đen của nguồn nhiệt cũng ảnh h−ởng lớn tới hiệu quả truyền nhiệt tới vật nung, khi tăng εN hiệu quả truyền nhiệt tăng. b) Chọn nhiên liệu và ph−ơng pháp đốt Chế độ làm việc bức xạ phân bố đều đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong các lò nhiên liệu. Tiêu chuẩn quan trọng để chọn nhiên liệu khi lò làm việc ở chế bức xạ phân bố đều là khả năng tạo ra ngọn lửa có độ sáng cao (εN lớn). Do vậy, nhiên liệu thích hợp là các loại nhiên liệu khí chứa nhiều cacbuahydro (CH4, CmHn), nhiên liệu lỏng và nhiên liệu bụi. Với các nhiên liệu chứa nhiều cacbuahydro, khi cháy cacbuahydro phân hủy tạo ra một l−ợng lớn hạt cacbon có độ sáng cao làm cho ngọn lửa có độ sáng cao. Về ph−ơng pháp đốt, do độ sáng của ngọn lửa bao giờ cũng cao hơn độ sáng của sản phẩm cháy nên khi điều kiện công nghệ cho phép, cần kết hợp quá trình đốt cháy và quá trình trao đổi nhiệt trong cùng một không gian làm việc của lò. Mặt khác, phải tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình cacbon hóa tự nhiên của ngọn lửa trong quá trình cháy. Nung nóng tr−ớc nhiên liệu và không khí làm tăng khả năng các bon hóa tự nhiên, còn hòa trộn tr−ớc khí đốt và không khí lại cản trở sự cacbon hoá. c) Cơ học khí Đối với chế độ bức xạ phân bố đều, một yêu cầu quan trọng là phải tạo sự đồng nhất của tr−ờng nhiệt độ và độ sáng của khí lò. Để đạt đ−ợc điều đó, th−ờng dùng nhiều mỏ đốt công suất nhỏ và bố trí sao cho tạo ra sự xáo trộn mạnh giữa ngọn lửa và sản phẩm cháy. Các miệng kênh khói cần bố trí hợp lý để không hình thành các góc chết (tại đó khí lò không l−u thông), không đ−ợc bố trí miệng kênh khói đối diện với mỏ đốt khi khoảng cách giữa chúng không đủ lớn. 2.1.3. Chế độ làm việc bức xạ trực tiếp a) Truyền nhiệt ở chế độ bức xạ trực tiếp - 19 -
ở chế độ bức xạ trực tiếp, dòng nhiệt bức xạ từ nguồn nhiệt tới bề mặt vật nung lớn hơn dòng nhiệt bức xạ từ nguồn nhiệt tới t−ờng và nóc lò. V T q N > q N Đặc tr−ng của chế độ bức xạ trực tiếp là sự phân bố không đồng đều của tr−ờng nhiệt độ và độ đen của nguồn nhiệt trong không gian làm việc của lò. Vùng gần bề mặt vật nung là vùng có nhiệt độ và độ sáng cao, vùng gần t−ờng và nóc lò là vùng có nhiệt độ và độ sáng thấp. Trong lò nhiên liệu, vùng có nhiệt độ cao chính là vùng chứa ngọn lửa, giữa ngọn lửa và vật nung, cũng nh− giữa ngọn lửa và t−ờng lò là lớp sản phẩm cháy có nhiệt độ thấp. Khi dòng nhiệt từ vùng ngọn lửa có nhiệt độ cao đi qua lớp khí có nhiệt độ thấp, bị các lớp khí này hấp thụ một phần nên c−ờng độ của nó giảm. - Vai trò của t−ờng lò: Trong chế độ này, nhiệt độ t−ờng lò thấp và t−ờng lò có chức năng công tác nhiệt nhẹ hơn so với chế độ bức xạ phân bố đều. - Vai trò của ngọn lửa: hiệu quả trao đổi nhiệt phụ thuộc nhiệt độ và độ sáng của vùng nhiệt độ cao (ngọn lửa), độ đen của lớp có nhiệt độ thấp (sản phẩm cháy). Khi nhiệt độ cực đại của ngọn lửa ở chế độ bức xạ trực tiếp bằng nhiệt độ ngọn lửa ở chế độ bức xạ phân bố đều thì nhiệt độ trung bình của nó thấp hơn. Do vậy, để tăng hiệu quả trao đổi nhiệt cần nâng cao nhiệt độ cực đại của ngọn lửa. Việc tăng độ sáng của lớp có nhiệt độ cao và giảm độ đen của lớp có nhiệt độ thấp làm tăng tính định h−ớng bức xạ về phía vật nung. b) Chọn nhiên liệu Chế độ làm việc bức xạ trực tiếp th−ờng dễ dàng thực hiện trong các lò nhiên liệu. Để tạo ra ngọn lửa có độ sáng cao, nhiên liệu phải có khả năng cacbon hóa cao, do đó nhiên liệu thích hợp là các loại nhiên liệu khí chứa nhiều cacbuahydro, nhiên liệu lỏng, nhiên liệu bụi. c) Cơ học khí và ph−ơng pháp đốt Về ph−ơng pháp đốt, cần đốt nhiên liệu sao cho tạo ra ngọn lửa tập trung chủ yếu trong vùng nhiệt độ cao, trong vùng nhiệt độ thấp chủ yếu chứa sản phẩm cháy. Chuyển động của khí trong lò không gây ra sự xáo trộn giữa hai vùng. Do vậy, th−ờng chọn thiết bị đốt có công suất lớn, số l−ợng ít, các thiết bị đốt đ−ợc bố trí về một bên, h−ớng ngọn lửa về gần bề mặt nung, miệng kênh khói bố trí đối diện với thiết bị đốt, tạo ra dòng chuyển động thẳng của khí trong lò là tốt nhất. d) Lĩnh vực ứng dụng - 20 -
Chế độ bức xạ trực tiếp đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong các lò nấu chảy nh− lò luyện thép, lò nấu gang, lò nấu thuỷ tinh Chế độ bức xạ trực tiếp cũng đ−ợc dùng trong các lò nung để nung vật mỏng cũng nh− vật dày, tuy nhiên khi nung vật dày hiệu quả thấp hơn chế độ bức xạ phân bố đều. 2.1.4. Chế độ làm việc bức xạ gián tiếp a) Truyền nhiệt ở chế độ bức xạ gián tiếp, dòng nhiệt bức xạ từ nguồn nhiệt tới bề mặt vật nung bé hơn dòng nhiệt bức xạ từ nguồn nhiệt tới t−ờng và nóc lò. V T q N < q N Đặc tr−ng của chế độ bức xạ trực tiếp là sự phân bố không đồng đều của tr−ờng nhiệt độ và độ đen của nguồn nhiệt trong không gian làm việc của lò. Vùng gần bề mặt t−ờng, nóc lò có nhiệt độ và độ sáng cao, vùng gần bề mặt vật nung có nhiệt độ và độ sáng thấp. Dòng nhiệt từ nguồn nhiệt chủ yếu tập trung lên nóc lò và t−ờng lò, chuyển thành bức xạ xám truyền đến vật nung. Để thực hiện chế độ bức xạ trực tiếp ng−ời ta sử dụng các ph−ơng pháp sau: - Trong các lò nhiên liệu, h−ớng thiết bị đốt về phía t−ờng và nóc lò, tạo ra ngọn lửa có nhiệt độ và độ sáng cao nằm gần t−ờng và nóc lò, vùng gần vật nung chứa sản phẩm cháy có nhiệt độ và độ sáng thấp. - Dùng các thiết bị đốt có mặt gốm đặt ở nóc lò tạo ra bề mặt bức xạ. Trong tr−ờng hợp này, hỗn hợp khí đốt và không khí đ−ợc hòa trộn tr−ớc và đ−ợc đốt cháy c−ỡng bức ngay trên mặt gốm làm cho bề mặt gốm bị nung lên đến nhiệt độ gần nhiệt độ cháy của nhiên liệu, đồng thời bề mặt nóc lò cũng bị nung nóng lên nhiệt độ cao tạo nên bề mặt bức xạ, dòng nhiệt bức xạ qua lớp khí trong lò đập tới vật nung. - Dùng t−ờng và nóc lò có bề mặt phản xạ cao ( R = 0,95 − 0,97 ), khi đó hầu hết luồng nhiệt đập tới t−ờng và nóc lò bị phản xạ tới bề mặt vật nung. Trong chế độ bức xạ gián tiếp, vai trò công tác nhiệt của t−ờng và nóc lò nặng F hơn nhiều so với các chế độ trên. Độ phát triển của t−ờng lò ω = T ảnh h−ởng lớn đến FV hiệu quả truyền nhiệt, còn chiều cao lò ít ảnh h−ởng hơn. b) Chọn nhiên liệu Với lò làm việc ở chế độ bức xạ gián tiếp, yêu cầu độ đen của sản phẩm cháy phải thấp và nhiệt độ cực đại của ngọn lửa phải cao nên nhiên liệu thích hợp là các loại - 21 -
nhiên liệu khí có nhiệt trị cao (th−ờng trên 16.000 kj/m3) hoặc là nhiên liệu lỏng thuộc nhóm nhẹ. c) Cơ học khí và ph−ơng pháp đốt Về cơ học khí, ở chế độ bức xạ trực tiếp, cần tạo ra các luồng ngọn lửa có hoạt lực đủ lớn để tạo nên vùng có nhiệt độ cao và độ sáng lớn đồng đều sát nóc lò, nh−ng không đ−ợc quá lớn để tránh sự xáo trộn giữa vùng này với lớp khí sát vật nung. Để đạt đ−ợc yêu cầu trên, về ph−ơng pháp đốt, ng−ời ta dùng các mỏ đốt có tốc độ phun nhỏ (khi đốt nhiên liệu khí), mỏ phun thấp áp hoặc mỏ phun có biến bụi cơ học (khi đốt nhiên liệu lỏng), bố trí thiết bị đốt tập trung ở phần trên của lò và h−ớng ngọn lửa về phía bề mặt nóc lò. Miệng các kênh khói bố trí đều ở phần d−ới của lò trong vùng tuần hoàn của lớp khí có nhiệt độ thấp. d) Lĩnh vực ứng dụng Lò làm việc ở chế độ gián tiếp đ−ợc sử dụng trong nhiều công nghệ khác nhau trừ hai tr−ờng hợp sau: - Khi nung các vật nung dày mà vật nung đ−ợc xếp đầy không gian lò (ví dụ lò nung ngói, nung gạch). - Khi nhiệt độ yêu cầu của vật nung gần bằng nhiệt độ làm việc tối đa của gạch xây t−ờng lò và nóc lò. 2.1.5. Tính toán trao đổi nhiệt bức xạ Ta xét tr−ờng hợp trao đổi nhiệt trong lò có sơ đồ trình bày trên hình 2.5, với giả thiết: Q T T T QK V Q T V QK T QV Hình 2.5 Sơ đồ trao đổi nhiệt trong lò + Nhiệt độ mặt t−ờng và vật nung có giá trị đồng nhất là TT và TV. + Độ đen của t−ờng và vật nung cũng đồng nhất là εT và εV. - 22 -
+ Hệ số góc bức xạ từ t−ờng lò đến t−ờng lò và từ t−ờng lò đến vật nung cũng đồng nhất theo mọi h−ớng và mọi điểm trên t−ờng lò là ϕT-T và ϕT-V hq Gọi Q V là l−ợng nhiệt có hiệu quả mà vật nung hấp thụ đ−ợc, xét cân bằng nhiệt trên bề mặt vật nung ta có: hq Q V = ∑Qđập tới vật - ∑Qđi ra từ vật V V ∑Qđập tới vật = Q K + Q T K−V T−V V ∑Qđi ra từ vật = Q PX + Q PX + Q BXR hq V V K−V T−V V Vậy Q V = ( Q K + Q T ) - ( Q PX + Q PX + Q BXR ) hq V V Hay Q V = ( Q K + Q T ) - QV (2.15) K−V T−V V Với: QV = Q PX + Q PX + Q BXR (2.16) Trong đó: + L−ợng nhiệt từ khí lò đập tới bề mặt vật nung: 4 V ⎛ TK ⎞ Q K = ε K .C 0 ⎜ ⎟ .FV ⎝100 ⎠ + L−ợng nhiệt từ t−ờng lò đập tới bề mặt vật nung: V Q T = Q T .ϕT−V (1− ε K ) Với QT là tổng l−ợng nhiệt bức xạ và phản xạ của t−ờng lò. K−V + Q PX là l−ợng nhiệt bức xạ từ khí lò đến vật bị vật phản xạ: 4 K−V ⎛ TK ⎞ Q PX = ε K .C 0 ⎜ ⎟ .()1− εV .FV ⎝100 ⎠ T−V + Q PX là l−ợng nhiệt từ t−ờng đập tới vật bị vật phản xạ: T−V Q PX =Q T .ϕT−V .(1− ε k ).(1− εV ) V + Q BXR là l−ợng nhiệt bức xạ riêng của vật nung: 4 V ⎛ TV ⎞ Q BXR = εV .C 0 .⎜ ⎟ .FV ⎝100 ⎠ hq Mặt khác gọi Q T là l−ợng nhiệt có hiệu quả mà t−ờng hấp thụ đ−ợc và xét cân bằng các dòng nhiệt trên bề mặt trong của t−ờng lò, ta có: hq Q T = ∑Qđập tới t−ờng - ∑Qđi ra từ t−ờng T T T K−T ∑Qđập tới t−ờng = Q K + Q T + Q V + Q ĐL - 23 -
K−T V−T T ∑Qđi ra từ t−ờng = Q PX + Q PX + QBXR hq T T T K−T K−T V−T T Vậy Q T = ( Q K + Q T + Q V + Q ĐL ) - (QPX + QPX + QBXR ) hq T T T K−T Hay Q T = ( Q K + Q T + Q V + Q ĐL ) - QT (2.17) K−T V−T T Với QT = (QPX + QPX + QBXR ) (2.18) Trong đó: T + Q K là l−ợng nhiệt từ khí đập tới t−ờng: T ⎛ TK ⎞ Q K = ε K .C 0 ⎜ ⎟ .FT ⎝100 ⎠ 4 T + Q T là l−ợng nhiệt từ t−ờng đập tới t−ờng: T Q T = Q T .ϕT−T (1− ε K ) T + Q V là l−ợng nhiệt từ vật nung đập tới t−ờng: T Q V = Q V .()1− ε K K−T + Q ĐL là l−ợng nhiệt đối l−u từ khí lò tới t−ờng: K−T K _ T Q ĐL = α ĐL (()TK − TT .FT K−T + Q PX là l−ợng nhiệt bức xạ từ khí lò tới t−ờng bị t−ờng phản xạ: 4 K−T ⎛ TK ⎞ Q PX = ε K .C 0 ⎜ ⎟ .()1− ε T .F T ⎝100 ⎠ V−T + Q PX là l−ợng nhiệt từ vật đập tới t−ờng bị t−ờng phản xạ: V−T Q PX = Q V .()1− ε K .(1− ε T ) T + Q BXR là l−ợng nhiệt bức xạ riêng của t−ờng lò: 4 T ⎛ TT ⎞ Q BXR = ε T .⎜ ⎟ .FT ⎝100 ⎠ ở trạng thái nhiệt độ t−ờng lò ổn định, thì l−ợng nhiệt có hiệu quả mà t−ờng lò hq hấp thụ đ−ợc Q T không thể tích lại trong t−ờng lò mà nó sẽ truyền qua t−ờng lò ra bên hq ngoài, tức là Q T =Qtt (Qtt là l−ợng nhiệt tổn thất qua t−ờng lò do dẫn nhiệt). Nếu coi l−ợng nhiệt mà t−ờng lò truyền ra ngoài bằng l−ợng nhiệt mà t−ờng K−T nhận đ−ợc bằng đối l−u với khí lò ( Q tt = Q ĐL ), giải hệ ph−ơng trình (2.15), (2.17) và (2.18) ta đ−ợc: - 24 -
⎡ 4 4 ⎤ hq ⎛ Tk ⎞ ⎛ TV ⎞ Q V = C K−T−V ⎢⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎥.FV (2.19) ⎣⎢⎝100 ⎠ ⎝100 ⎠ ⎦⎥ ε k .ε V [1+ ϕT−V (1− ε k )] Với C K−T−V = C 0 . ε k + ϕT−V ()1− ε k []1− ()1− ε k (1− εV ) Hệ số CK-T-V đ−ợc gọi là hệ số bức xạ quy dẫn từ khí lò tới vật nung có tính đến vai trò tham gia trao đổi nhiệt bức xạ của t−ờng lò. 1 F Nếu đặt: ω = = T ( gọi là độ phát triển của t−ờng lò) ϕT−V FV 1− ε + ω Và: K = K 1− ε K []εV + ()1− ε V + ω ε K Ta có: CK-T-V = C0.εV.K . Hệ số K có thể xác định bằng tính toán hay tra theo biểu đồ. Biểu đồ tra K có dạng hình 2.6. K ω=5 0.8 4 3 2 1 0,4 0 0,4 0.8 εK Hình 2.6 Biểu đồ tra hệ số K Từ ph−ơng trình trao đổi nhiệt (2.19) ta nhận thấy l−ợng nhiệt hấp thụ có hiệu quả của vật nung tăng khi: + Tăng bề mặt của vật nung bằng cách thay đổi cách xếp vật nung. + Tăng nhiệt độ khí lò bằng cách dùng nhiên liệu có năng suất toả nhiệt cao, nung nóng tr−ớc không khí và nhiên liệu, làm giàu oxy trong không khí. + Tăng CK-T-V: CK-T-V phụ thuộc ω, εK và εV. Tăng εK thì CK-T-V tăng, khi độ đen của khí thấp (εK < 0,6) thì ảnh h−ởng của εK càng lớn. Tăng ω thì CK-T-V tăng, nh−ng cần l−u ý rằng khi tăng ω phải đảm bảo khối khí điền đầy toàn bộ không gian lò để - 25 -
tăng chiều dày khối khí bức xạ nếu không hiệu quả trao đổi nhiệt không tăng mà lại giảm do tăng tổn thất nhiệt qua t−ờng lò. 2.2. Chế độ làm việc đối l−u Lò làm việc ở chế độ đối l−u khi sự truyền nhiệt từ nguồn nhiệt tới bề mặt vật nung chủ yếu bằng truyền nhiệt đối l−u. Thông th−ờng các lò có nhiệt độ làm việc d−ới 600oC đều thuộc lò làm việc ở chế độ đối l−u. 2.2.1. Một số khái niệm và định luật cơ bản về truyền nhiệt đối l−u a) Truyền nhiệt đối l−u ở chế độ làm việc đối l−u, trao đổi nhiệt đ−ợc thực hiện thông qua một chất khí hoặc chất lỏng (gọi chung là môi chất) chuyển động tiếp xúc với bề mặt vật liệu gia công. Dựa vào lực tác động gây ra chuyển động của môi chất trong quá trình trao đổi nhiệt ng−ời ta chia ra: + Chế độ đối l−u tự nhiên. + Chế độ đối l−u c−ỡng bức. ở chế độ đối l−u tự nhiên, nguyên nhân gây ra chuyển động của môi chất là sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt vật nung và môi chất bao quanh, ở chế độ này tốc độ chuyển động của môi chất th−ờng nhỏ. ở chế độ đối l−u c−ỡng bức, môi chất chuyển động nhờ tác động của ngoại lực, tốc độ chuyển động của môi chất khá lớn. b) Ph−ơng trình cơ bản về truyền nhiệt đối l−u L−ợng nhiệt trao đổi bằng đối l−u giữa môi chất và vật nung xác định theo ph−ơng trình Newton: Q = αdl .∆t.FV Trong đó: Q - l−ợng nhiệt trao đổi bằng đối l−u [W]. 2 α dl - hệ số trao đổi nhiệt đối l−u [W/m .độ]. ∆t - chênh lệch giữa nhiệt độ môi chất và nhiệt độ bề mặt vật [oC]. Trong các thông số trên, hệ số trao đổi nhiệt α dl là đại l−ợng có giá trị nằm trong một khoảng rộng, phụ thuộc vào kích th−ớc và tính chất của lớp giới hạn bề mặt, các thông số này lại đ−ợc xác định bởi một loạt thông số khác của dòng chảy và bề mặt bao quanh dòng chảy, nó là hàm của nhiều tham số: α dl = f()W, t k ,t v ,λ k ,c k ,η, l1 , l 2 ,l 3 ,φ - 26 -
Trong đó: W - tốc độ dòng chảy [m/s]. o tk - nhiệt độ môi chất [ C]. o tV - nhiệt độ bề mặt vật [ C]. o ck - nhiệt dung của môi chất [j/kg. C]. η - độ nhớt động lực học của khí lò [Pa.s]. 3 ρ k - khối l−ợng riêng của môi chất [kg/m ]. l1, l2, l3 - các kích th−ớc của bề mặt vật [m]. φ- hệ số đặc tr−ng cho hình dạng vật. Thông th−ờng ng−ời ta xác định α dl thông qua xác định tiêu chuẩn Nuy-xen: ⎛ l ⎞ ⎜ ⎟ N u = f⎜F0 , R e , Pr , G r , ⎟ ⎝ l o ⎠ Trong đó: αl N = - tiêu chuẩn Nuy-xen, tiêu chuẩn đồng dạng về truyền nhiệt đối l−u. u λ aτ F = tiêu chuẩn Phu-ri-ê. o x2 Wd R = - tiêu chuẩn Rey-nôn, tiêu chuẩn đặc tr−ng cho chế độ dòng chảy. e ν ν P = - tiêu chuẩn Prăng-đơ-lia, tiêu chuẩn đồng dạng về tr−ờng nhiệt độ và r a tốc độ. gl 3 G = β .∆t - tiêu chuẩn Grat-xôp, tiêu chuẩn đặc tr−ng cho chuyển động đối r ν l−u tự do. λ - hệ số dẫn nhiệt [W/m.độ]. ν - hệ số nhớt động [m2/s]. τ- thời gian [s]. λ a = - hệ số truyền nhiệt độ [m2/s]. cρ β - hệ số giản nở nhiệt của môi chất [1/độ]. g - gia tốc trọng tr−ờng [m/s2]. - 27 -
∆t - hiệu số nhiệt độ [oC]. x, l, lo - các kích th−ớc [m]. 2.2.2. Chế độ đối l−u tự nhiên Trao đổi nhiệt đối l−u tự nhiên trong không gian tự do ở trạng thái ổn định, đ−ợc đặc tr−ng bởi ph−ơng trình có dạng tổng quát: N u = f(G r , Pr ) (2.29) Công thức th−ờng gặp nhất có dạng: n N u = C(G r .Pr ) (2.30) Trong đó C, n là các hằng số chọn theo bảng (2.1). Bảng 2.1. Giá trị của các hằng số C, n (Gr.Pr) C n 2.107 0,135 0,333 Khi vật nung có bề mặt trao đổi nhiệt h−ớng lên trên thì tăng hằng số C lên 30%, còn khi h−ớng xuống d−ới thì giảm 30% so với trị số trong bảng. Trong công thức (2.30) các thông số vật lý lấy theo nhiệt độ trung bình: t + t t = k v tb 2 Kích th−ớc (l) chọn phụ thuộc vào hình dạng và cách đặt vật, xem hình 2.7. l l Hình 2.7 Xác định kích th−ớc vật nung khi tính Gr Công thức (2.30) áp dụng cho cả chất khí và chất lỏng và vật thể có hình dáng bất kỳ. Trong tính toán kỹ thuật, với các tr−ờng hợp đơn giản có thể xác định α dl theo các công thức gần đúng: - 28 -
- Đối với t−ờng nằm ngang, mặt trao đổi nhiệt h−ớng lên trên: 4 2 α dl = 3,26. ∆t [W/m.độ] - Đối với t−ờng nằm ngang, mặt trao đổi nhiệt h−ớng xuống d−ới: 4 2 α dl = 2,56. ∆t [W/m.độ] - Trao đổi nhiệt đối l−u tự nhiên trong các lò điện trở: 0,19 ∆T.p 2 α dl = 2,47.∆t + 0,036 [W/m .độ] Tk .H Trong đó: ∆t - dộ chênh nhiệt độ giữa bề mặt trong t−ờng lò và khí lò[độ]. p - áp suất khí quyển [Pa]. o Tk - nhiệt độ khí lò [ K]. H - chiều cao không gian làm việc của lò [m]. 2.2.3. Chế độ đối l−u c−ỡng bức ở chế độ đối l−u c−ỡng bức, hệ số trao đổi nhiệt phụ thuộc nhiều yếu tố hơn, ph−ơng trình tổng quát có dạng: N u = f(R e , Pr ) (2.31) Khi tính toán trao đổi nhiệt đối l−u c−ỡng bức phải phân ra những tr−ờng hợp cụ thể, d−ới đây là một số tr−ờng hợp điển hình. - Trao đổi nhiệt khi khí chuyển động trong ống hoặc kênh: 0,25 ⎛ P ⎞ N = 0,021.R0,8.P 0,43 ⎜ r ⎟ (2.32) u e r ⎜ ' ⎟ ⎝ Pr ⎠ Trong đó, các thông số vật lý tính Re, Pr lấy theo nhiệt độ trung bình: t + t t = v k 2 ' Còn với Pr lấy theo nhiệt độ bề mặt vật tv. 4 6 Ph−ơng trình (2.32) ứng dụng cho cả chất khí và chất lỏng khi R e = 10 ữ 5.10 và Pr = 0,6 ữ 2500 và L/d>50 (L, d là chiều dài và đ−ờng kính thủy lực của kênh). Tr−ờng hợp ống uốn cong (hình 2.8) áp dụng công thức (2.32) và nhân thêm hệ số hiệu chỉnh ε phụ thuộc tỉ số d/R: - 29 -
d ε = 1+1,77. R R d Hình 2.8 ống dẫn khí uốn cong - Trao đổi nhiệt khi khí chuyển động vuông góc với chùm ống: Khi khí chuyển động vuông góc với chùm ống, mức độ chảy rối tăng dần khi đi qua các hàng ống và đạt đ−ợc trạng thái ổn định từ hàng thứ ba trở đi. Hệ số trao đổi nhiệt cho hàng thứ ba trở đi xác định theo công thức sau: 0,25 ⎛ P ⎞ Khi bố trí kiểu quân cờ (hình 2.9a): N = 0,23.R 0,65 .P 0,33 ⎜ r ⎟ u e r ⎜ ' ⎟ ⎝ Pr ⎠ 0,25 ⎛ P ⎞ Khi bố trí kiểu so le (hình 2.9b): N = 0,41.R 0,60 .P 0,33 ⎜ r ⎟ u e r ⎜ ' ⎟ ⎝ Pr ⎠ Đối với hàng thứ nhất lấy bằng 60% cho cả hai kiểu bố trí và hàng thứ 2 lấy bằng 90% với kiểu bố trí quân cờ, 70% với kiểu so le so với trị số của hàng thứ 3. Hệ số trao đổi nhiệt của cả chùm ống: α .S + α .S + + α .S α = 1 1 2 2 n n [W/m2.độ] S 1 + S 2 + + S n Hình 2.9 Bố trí ống trong chùm ống a) Bố trí kiểu quân cờ b) Bố trí kiểu so le - 30 -
2.2.4. Trao đổi nhiệt đối l−u trong chất lỏng Trong luyện kim th−ờng gặp các lò nung hoặc làm nguội chi tiết kim loại bằng chất lỏng nh− n−ớc, dầu, muối hoặc kim loại nóng chảy −u điểm của nung nóng và làm nguội bằng chất lỏng là hệ số trao đổi nhiệt lớn, nung đều, tránh đ−ợc oxy hóa. Các chất lỏng đ−ợc dùng làm môi chất tải nhiệt đ−ợc chia làm hai nhóm: - Nhóm kim loại hoặc hợp kim nóng chảy: tính dẫn nhiệt cao, sự thay đổi c−ờng độ trao đổi nhiệt đối l−u không lớn khi chuyển từ chảy tầng sang chảy rối. - Nhóm các muối hoặc oxyt nóng chảy: tính dẫn nhiệt thấp và xấp xỉ bằng tính dẫn nhiệt của không khí. N−ớc và dầu cũng đ−ợc xếp vào nhóm này. Trên hình 2.10, biểu thị sự phụ thuộc của hệ số trao đổi nhiệt vào độ quá nhiệt của muối nóng chảy, khi nung nóng và làm nguội chi tiết bằng thép. 1800 3 1600 4 1400 1200 2 5 1000 4 3 800 2 600 1 400 200 0 50 100 150 200 250 300 350 Hình 2.10 Sự phụ thuộc của hệ số trao đổi nhiệt vào độ quá nhiệt của muối lỏng khi làm nguội ( ) và khi nung nóng ( ) chi tiết thép. 1) NaCl 2) 55%KNO3+45%NaNO3 3) NaNO3 4) NaNO2 5) BaCO2 Từ đồ thị ta nhận thấy: - Hệ số trao đổi nhiệt khi làm nguội lớn hơn rất nhiều so với khi nung nóng. - Hệ số trao đổi nhiệt khi làm nguội đạt cực đại khi độ quá nhiệt của muối nằm trong khoảng 150 - 200oC. - Hệ số trao đổi nhiệt khi nung nóng tăng tuyến tính với độ quá nhiệt, khi nhiệt độ của muối gần nhiệt độ nóng chảy hệ số trao đổi nhiệt của các muối gần nh− nhau và nằm trong khoảng 200 - 220 W/m2.độ. - 31 -
Khi nung vật bằng muối nóng chảy, nếu nhiệt độ nóng chảy của muối cao và vật nung có khối l−ợng lớn, trong giai đoạn đầu trên bề mặt vật hình thành lớp tinh thể kết tinh và truyền nhiệt qua lớp này là truyền nhiệt dẫn nhiệt nên hệ số truyền nhiệt nhỏ. Khi làm nguội vật, không xẩy ra hiện t−ợng hình thành lớp tinh thể, ng−ợc lại, do chất lỏng bị nung nóng, độ nhớt giảm, đối l−u tự nhiên tăng làm tăng hệ số trao đổi nhiệt. 2.2.5. Chọn nhiên liệu và ph−ơng pháp đốt Đối với chế độ đối l−u, nhiệt độ lò th−ờng thấp (< 400oC) nhiên liệu đ−ợc đốt trong buồng đốt riêng nên có thể sử dụng mọi loại nhiên liệu (rắn, lỏng, khí) hoặc dùng điện. Khi dùng nhiên liệu, nếu nhiên liệu lỏng sử dụng mỏ phun thấp áp, nếu nhiên liệu khí dùng mỏ đốt có ngọn lửa ngắn để giảm thể tích buồng đốt. Buồng đốt phải bố trí sao cho không có sự bức xạ trực tiếp từ buồng đốt sang buồng lò. Khi lò làm việc ở chế độ đối l−u, do nhiệt độ sản phẩm cháy th−ờng cao hơn nhiều so với nhiệt độ yêu cầu của lò nên th−ờng phải pha loãng khí lò bằng không khí hoặc bằng một phần khí thải tuần hoàn trở lại. Thể tích khí pha loãng xác định từ ph−ơng trình: Vk c k t k + Vkk c kk t kk = (Vk + Vkk )c hh t hh Trong đó: 3 Vk - l−u l−ợng thể tích sản phẩm cháy ở điều kiện tiêu chuẩn [m /s]. Vkk - l−u l−ợng thể tích không khí hoặc khí pha loãng ở điều kiện tiêu chuẩn [m3/s]. ck, ckk, chh - nhiệt dung riêng của sản phẩm cháy, không khí và hỗn hợp [J/m3.độ]. o tk, tkk, thh - nhiệt độ của sản phẩm cháy, không khí và hỗn hợp [ C]. 2.2.6. Lĩnh vực ứng dụng Chế độ đối l−u đ−ợc ứng dụng trong các lò sấy, lò nung nhiệt độ thấp hoặc các lò nung, lò làm nguội dùng môi chất lỏng. Trong tr−ờng hợp nhiệt độ lò t−ơng đối cao (từ 500 - 800oC) mặc dù trao đổi nhiệt bằng bức xạ là chủ yếu nh−ng khi khí lò chuyển động với tốc độ lớn trao đổi nhiệt đối l−u vẫn có vai trò đáng kể cần tính đến khi tính toán trao đổi nhiệt. 2.3. Chế độ làm việc theo lớp 2.3.1. Khái niệm và phân loại - 32 -
Lò làm việc theo chế độ lớp là những lò dùng nung nóng (hoặc làm nguội) vật liệu hạt, trong đó vật liệu gia công đ−ợc chất đầy toàn bộ hay một phần không gian làm việc của lò, còn khí lò đi qua khe hở giữa các hạt liệu trong lớp và thực hiện quá trình trao đổi nhiệt với vật liệu. Khi ở chế độ lớp, trong lò tồn tại cả ba dạng truyền nhiệt: bức xạ, đối l−u và dẫn nhiệt. Mặt khác, diện tích bề mặt trao đổi nhiệt không ổn định, do đó để tính toán truyền nhiệt khi lò làm việc chế độ lớp ng−ời ta đ−a ra khái niệm hệ số trao đổi nhiệt thể tích: α.S α = [W/m3.độ] V V Hay α V = α.S 0 Trong đó: α - hệ số trao đổi nhiệt bề mặt [W/m2.độ] S - tổng diện tích bề mặt của các hạt liệu trong thể tích V của lớp liệu [m2]. 2 3 S0 - diện tích bề mặt của các hạt trong một đơn vị thể tích lớp liệu [m /m ] Đối với liệu dạng hạt lý t−ởng (dạng hình cầu đ−ờng kính d) ta có: V 1 1 = = S S 0 6()1− f Với f là độ rỗng của lớp. Đối với hạt kích th−ớc không đều, tỉ số V/S đ−ợc tính theo công thức Furnas: V d = S 7,5()1− f Với d là đ−ờng kính trung bình của hạt liệu [m]. Dựa vào đặc tính phân bố và chuyển động của các hạt liệu khi lò làm việc, ng−ời ta phân chế độ lớp thành ba dạng: - Chế độ lớp chặt. - Chế độ lớp sôi. - Chế độ lớp lơ lững. ở chế độ lớp chặt: liệu có dạng cục (kích th−ớc lớn) xếp thành lớp, khi lò làm việc, các cục liệu nằm sít nhau và hầu nh− không chuyển động t−ơng đối với nhau, khí lò đi qua khe hở các cục liệu. - 33 -
ở chế độ lớp sôi: liệu có dạng hạt kích th−ớc trung bình, khi lò làm việc, d−ới tác động của dòng khí các hạt liệu trong lớp chuyển động t−ơng đối với nhau tạo nên sự xáo trộn mạnh của các hạt liệu t−ơng tự nh− hiện t−ợng “sôi”. ở chế độ lớp lơ lững: liệu có dạng hạt nhỏ, khi lò làm việc, d−ới tác động của dòng khí các hạt liệu chuyển động ở trạng thái lơ lững trong dòng khí, khoảng cách giữa các hạt liệu lớn. 2.3.2. Chế độ lớp chặt a) Đặc tính của lớp chặt ở chế độ lớp chặt, liệu đ−ợc xếp thành lớp chất đầy toàn bộ hoặc một phần không gian làm việc của lò, các hạt liệu nằm sít nhau, khí lò đi qua khe hở giữa các hạt liệu và thực hiện quá trình trao đổi nhiệt. Sự xáo trộn của các hạt liệu trong lớp hầu nh− không đáng kể. Trong thực tế, các lò làm việc ở chế độ lớp chặt th−ờng có cấu trúc đứng (gọi là lò đứng), liệu đ−ợc chất vào miệng lò ở phía trên, còn khí lò đi từ d−ới lên, liệu và khí chuyển động ng−ợc chiều nhau. b) Trao đổi nhiệt trong lớp chặt Do diện tích tiếp xúc giữa các hạt liệu bé, chênh lệch nhiệt độ giữa các hạt liệu t−ơng đối nhỏ nên ở chế độ lớp chặt có thể bỏ qua truyền nhiệt dẫn nhiệt. Đồng thời chiều dày lớp khí giữa các hạt liệu bé, với các lò nhiệt độ làm việc d−ới 500oC có thể bỏ qua truyền nhiệt bức xạ. Do vậy, truyền nhiệt trong lò làm việc ở chế độ lớp chặt chủ yếu là bằng truyền nhiệt đối l−u. Khi bỏ qua nhiệt phản ứng hóa học, có thể xác định hệ số trao đổi nhiệt thể tích theo công thức sau: 0,3 0,7 ⎛ R ⎞ A1 .T .W0 1,68f −3,56f 2 Khi liệu mỏng ⎜ → 0⎟ : α V = .10 ⎝ λ ⎠ d m 0,3 0,9 ⎛ R ⎞ A 2 .T .W0 1,68f −3,56f 2 Khi liệu dày ⎜ ≠ 0⎟ : α V = .10 ⎝ λ ⎠ d 0,75 Trong đó: R - bán kính hạt liệu [m]. λ - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu [W/m.độ]. T - nhiệt độ tuyệt đối của vật liệu [oK]. W0 - tốc độ khí tính toán (khi lò rỗng) ở điều kiện tiêu chuẩn [m/s]. - 34 -
m - hệ số phụ thuộc vật liệu: m = 1,3 khi làm nguội than cốc, m = 0,9 các tr−ờng hợp còn lại. A1, A2 - hệ số phụ thuộc vật liệu và dạng gia công (nung nóng hoặc làm nguội) chọn theo bảng. Tr−ờng nhiệt độ của khí lò và liệu theo chiều cao lớp liệu trong lò có dạng hình 2.11. Nhiệt độ của vật liệu tv thay đổi theo thời gian l−u liệu trong lò τ xác định bởi công thức sau: αv .τ ⎛ Wv ⎞ t − ⎜1− ⎟ v = 1− e cvρv ⎝ Wk ⎠ t k1 Trong đó: cv - nhiệt dung riêng của vật liệu [kj/kg.độ]. 3 ρv - khối l−ợng riêng thể tích của vật liệu [kg/m ]. Wk - đ−ơng l−ợng nhiệt của khí lò [W/độ]. Wv - đ−ơng l−ợng nhiệt của vật liệu [W/độ]. τ - thời gian l−u liệu trong lò [s] t v1 tk2 tv1 tk2 H2 H1 H 1 H2 t t t v2 k1 tv2 k1 Hình 2.11 Tr−ờng nhiệt độ của khí lò và liệu trong lò đứng làm việc theo lớp chặt a) Sơ đồ lò b) Khi Wk > Wv c) Khi Wk Wv), khi kết thúc quá trình trao đổi nhiệt t v2 ≈ t k1 nh−ng t k2 >> t v1 , do đó - 35 -
nhiệt độ khí thải còn rất cao, hiệu quả tận dụng nhiệt thấp, nh−ng vật liệu ít bị quá nhiệt. - Tr−ờng hợp b: Wk > t v2 , do đó nhiệt độ khí thải thấp, hiệu quả tận dụng cao, nh−ng vật liệu dễ bị quá nhiệt. Trong cả hai tr−ờng hợp, phần chiều cao lò H2 hiệu quả truyền nhiệt thấp nên H2 lớn chỉ làm cho lò cồng kềnh vô ích. Trong thực tế, có thể coi quá trình trao đổi nhiệt kết thúc khi t v = (0,95 ữ 0,98)t k1 khi đó chiều cao lò có thể tính theo công thức: 3ω c ρ H = v v v [m] ⎛ W ⎞ ⎜ V ⎟ α v ⎜1− ⎟ ⎝ Wk ⎠ Trong đó: ωv - tốc độ dịch chuyển liệu [m/s]. c) ứng dụng Chế độ lớp chặt đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong các lò gia công vật liệu dạng hạt, theo nguyên lý làm việc có thể chia ra ba nhóm: Nhóm 1: các lò có buồng đốt riêng hoặc không gian đốt riêng, tại đó nhiên liệu đ−ợc đốt cháy hoàn toàn, phần còn lại của lò không có phản ứng phát nhiệt hoặc thu nhiệt. Các lò điển hình cho nhóm này gồm: lò đứng nấu gang, nấu đồng, lò nung vật liệu samôt dạng hạt Nhóm 2: các lò có buồng đốt riêng hoặc không gian đốt riêng, tại đó nhiên liệu đ−ợc đốt cháy hoàn toàn, phần còn lại của lò vẫn có phản ứng phát nhiệt hoặc thu nhiệt có ý nghĩa công nghệ. Các lò điển hình cho nhóm này gồm: lò nung đá vôi, manhêdit, đôlômit, lò tách đá khỏi quặng đồng, quặng chì, quặng nikel, lò cao luyện gang Nhóm 3: các lò không có buồng đốt hoặc không gian đốt riêng, quá trình cháy của nhiên liệu xẩy ra trong toàn bộ không gian lò, đồng thời có các phản ứng thu phát nhiệt có ý nghĩa công nghệ xẩy ra. Điển hình cho nhóm này là lò nấu chảy tinh quặng đồng. 2.3.3. Chế độ lớp sôi a) Điều kiện hình thành lớp sôi Sự hình thành lớp sôi chỉ bắt đầu khi tốc độ khí trong lò đạt tới một tốc độ cần thiết gọi là tốc độ tối thiểu. Khi tiếp tục tăng tốc độ khí, hiện t−ợng sôi xẩy ra với mức - 36 -
độ càng lớn hơn và đạt đến một tốc độ cực đại nào đó thì hiện t−ợng sôi bị phá vỡ. Để đặc tr−ng cho trạng thái lớp sôi ng−ời ta đ−a ra chỉ số gọi là “số sôi” xác định theo công thức sau: Ws m s = Wmin Trong đó: ms - số sôi. Ws - tốc độ thổi của khí (ứng với lò rỗng) [m/s]. Wmin - tốc độ thổi tối thiểu để hình hành lớp sôi [m/s]. Hình 2.12 mô tả trạng thái của lớp sôi ứng với các giá trị khác nhau của số sôi: Hình 2.12a: bắt đầu hình thành lớp sôi, m s = 1ữ 2 . Hình 2.12b: sự xáo trộn của vật liệu có thể nhận biết bằng mắt th−ờng, ứng với m s = 5 ữ 6 , thể tích lớp liệu tăng khoảng 15%. W W Ws Ws s s ữ m =1ữ2 m =5ữ6 ms=50ữ100 ms> 50 100 s s a) b) c) d) Hình 2.12 Trạng thái của lớp sôi ứng với các giá trị khác nhau của m s Hình 2.12c: trong lớp liệu bắt đầu hình thành các khoảng trống gọi là bong bóng khí, ứng với m s = 50 ữ100 . Hình 2.12d: các bong bóng khí mở rộng chiếm toàn bộ tiết diệng ngang của lò, ứng với m s > 50 ữ100 , lớp sôi bị phá vỡ và bắt đầu hình thành lớp lơ lững. Quan hệ giữa trở lực của lớp liệu (∆p), tốc độ thực của khí (Wthực)và chiều cao lớp liệu (H) vào tốc độ thổi (Ws), trình bày trên hình 2.13. - 37 -
H Lớp chặt Lớp sôi Lớp lơ lững Wthực ∆p W Wmin Wmax s Hình 2.13 Quan hệ giữa trở lực (∆p), tốc độ thực của khí (W ) thực và chiều cao lớp liệu (H) vào tốc độ thổi (Ws) Đối với các lò tiết diện tròn, tốc độ thổi tối thiểu Wmin xác định theo công thức sau: R .ν W = e min min d Trong đó: ν - hệ số nhớt động của khí lò [m2/s]. d - đ−ờng kính hạt liệu [m]. A r R e min = 1400 + 5,22 A r Ar - tiêu chuẩn achimed, xác định theo công thức: gd 3 A = ρ − ρ r 2 ()v k ν ρ k g - gia tốc trọng tr−ờng [m/s]. 3 ρv, ρk - khối l−ợng riêng của vật liệu và khí lò [kg/m ]. Tốc độ Wmax xác định theo công thức: R .ν W = e max max d A r Với R e max = 18 + 0,6 A r - 38 -
b) Trao đổi nhiệt trong lớp sôi Liệu của lớp sôi có độ hạt nhỏ nên có thể coi là liệu mỏng, sự trao đổi nhiệt quyết định bởi quá trình trao đổi nhiệt bên ngoài, mặt khác do liệu đ−ợc xáo trộn mạnh nên vai trò truyền nhiệt bức xạ cũng chiếm vị trí quan trọng. Hệ số trao đổi nhiệt trong lớp sôi xác định theo công thức: N d α = u td λ k 6G Trong đó: dtđ - d−ờng kính t−ơng đ−ơng của hạt liệu: d td = πnρ v n - số l−ợng hạt trong thể tích khảo sát. G - tổng khối l−ợng của các hạt trong thể tích khảo sát [kg]. 3 ρV - khối l−ợng riêng của vật liệu [kg/m ]. λ k - hệ số dẫn nhiệt của khí [W/m.độ]. Nu - tiêu chuẩn Nuy-xen. Giá trị của Nu phụ thuộc vào giá trị của tiêu chuẩn Fe (tiêu chuẩn Fedorob) có giá trị xác định theo công thức sau: 4g ρ − ρ F = d . v k e td 2 3ν ρ k Khi Fe = 30 ữ100 : −0,34 ⎛ H ⎞ 0,74 0,65 ⎜ ⎟ N u = 0,0151.Fe .R e ⎜ ⎟ ⎝ d td ⎠ Khi Fe = 100 ữ 200 : −0,34 ⎛ H ⎞ 0,604 0,65 ⎜ ⎟ N u = 0,0283.Fe .R e ⎜ ⎟ ⎝ d td ⎠ W .d Trong đó: R = s td . e ν c) Lĩnh vực ứng dụng của lớp sôi Chế độ lớp sôi đ−ợc ứng dụng để sấy và gia công vật liệu dạng hạt kích th−ớc nhỏ. Các lò sấy: lò sấy cát, vật liệu chịu lửa, sấy hạt nông sản - 39 -
Các lò gia công vật liệu: lò gia công quặng sunfat nikel, phế thải pirit sau khi tuyển nổi, các lò nung manhêdit, đôlômit 2.3.4. Chế độ lớp lơ lững a) Đặc tính của lớp lơ lững Nh− khảo sát ở phần trên, khi m s > 50 ữ100 bắt đầu hình thành lớp lơ lững, điều đó chứng tỏ ranh giới giữa lớp sôi và lớp lơ lững không có giới hạn rõ rệt. ở chế độ lớp lơ lững, mật độ hạt trong lớp rất bé, khoảng cách giữa các hạt lớn. Trạng thái chuyển động của hạt liệu phụ thuộc rất lớn vào kích th−ớc hạt. Khi hạt có kích th−ớc rất bé (d 0,15, chuyển động của các hạt đặc tr−ng bởi ph−ơng trình: 4A r = R 2 3k e Trong đó: k là hệ số trở lực. b) Trao đổi nhiệt trong lớp lơ lững Trong lớp lơ lững, do hạt có kích th−ớc bé liệu có thể coi và vật mỏng, đồng thời khoảng cách giữa các hạt lớn, do vậy ta có thể viết ph−ơng trình cân bằng nhiệt cho từng hạt trong lớp lơ lững: 4 4 4 4 α()Tk − Tv S v .dτ + C 1 (Tk − Tv )S v .dτ + C 1 (Tv − TT )S v .dτ ± qVv ρ v = 0 - 40 -
Trong đó: α - hệ số trao đổi nhiệt đối l−u giữa khí và liệu [W/m2.oK]. 2 o 4 C1 - hệ số trao đổi nhiệt bức xạ giữa khí và liệu [W/m . K ]. 2 o 4 C2 - hệ số trao đổi nhiệt bức xạ giữa liệu và t−ờng lò [W/m . K ]. q - hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hóa học [j/kg]. 3 3 Vv, ρv - thể tích [m ] và khối l−ợng riêng của vật liệu [kg/m ]. o Tk, Tv, TT - nhiệt độ tuyệt đối của khí, vật liệu và t−ờng lò [ K]. τ - thời gian l−u liệu trong lò [s]. Xét trao đổi nhiệt đối l−u trong lớp lơ lững, ta có: Đối với tr−ờng hợp đối l−u tự nhiên: 0,03 Khi G r = 1ữ 45 : N u = 2,29.G r 0,167 Khi G r = 45 ữ 2500 : N u = 1,4.G r Đối với tr−ờng hợp đối l−u tự nhiên và c−ỡng bức: Khi R e = 5 ữ 30 vàG r = 1ữ 45 : −4 6 24.10 −48.10 Re N u = ()0,0594 ữ 2,75 .R e .G r . Khi R e = 20 ữ120 vàG r = 35 ữ1500 : −4 6 572.10 −477.10 Re N u = ()0,0361ữ 3,03 .R e .G r . Đối với tr−ờng hợp đối l−u c−ỡng bức, R e = 20 ữ 400 : 0,83 N u = 0,2.Re Trong các tiêu chuẩn trên, tốc độ của khí đ−ợc lấy theo hiệu số tốc độ của khí và hạt liệu tại vị trí ra khỏi không gian làm việc của lò. c) Lĩnh vực ứng dụng Chế độ lớp lơ lững đ−ợc ứng dụng nhiều trong các lò nung hoặc sấy quặng sunfat, dung dịch cô đặc của sunfat kẽm, đồng, pirit và các chất thải pirit sau tuyển nổi. 2.3.5. Chọn nhiên liệu và ph−ơng pháp đốt Nhiên liệu dùng cho lò làm việc ở chế độ lớp có thể là nhiên liệu rắn, lỏng và khí. Về ph−ơng pháp đốt, đối với chế độ lớp chặt và lớp sôi, khi dùng nhiên liệu khí không cần hòa trộn tr−ớc, nhiên liệu và khí đ−ợc thổi đồng thời qua ghi lò, quá trình hòa trộn và dốt cháy xẩy ra trong lớp liệu. Nhiên liệu lỏng cũng đ−ợc thổi qua ghi cùng - 41 -
với không khí, trong quá trình cháy một phần nhiên liệu hóa khí hòa trộn với không khí và bị đốt cháy, một phần bám vào bề mặt hạt liệu và cháy ngay trên mặt hạt liệu. Đối với nhiên liệu rắn th−ờng đ−ợc nghiền thành hạt và trộn cùng vật liệu khi đ−a vào lò, quá trình cháy xẩy ra ngay trong lớp liệu. Trong một số tr−ờng hợp nh− lò thiêu kết quặng, l−ợng nhiệt cấp cho lò chính là nhiệt các phản ứng hóa học sinh ra trong quá trình gia công vật liệu, trong tr−ờng hợp này không cần dùng nhiên liệu. ở chế độ lớp lơ lững, nhiên liệu đ−ợc đốt ở buồng đốt riêng sau đó dẫn khí nóng vào lò, đối với các lò gia công quặng th−ờng không cần cung cấp nhiệt bên ngoài mà tận dụng nhiệt phản ứng sinh ra do các phản ứng hóa học. - 42 -
Ch−ơng 3 Nung kim loại 3.1. Khái niệm chung 3.1.1. Mục đích của quá trình nung Nung kim loại là một khâu quan trọng trong nhiều quá trình sản xuất luyện kim. Trong gia công kim loại bằng áp lực, nung nóng nhằm mục đích tăng độ dẻo, giảm trở lực biến dạng, làm tăng khả năng biến dạng của kim loại, điều đó cho phép tăng năng suất gia công, giảm đ−ợc yêu cầu về công suất thiết bị và giảm hao mòn dụng cụ. Trong gia công nhiệt luyện, kim loại đ−ợc nung nóng đến nhiệt độ thích hợp tr−ớc khi làm nguội để đạt đ−ợc sự thay đổi tổ chức theo yêu cầu. Quá trình nung kim loại đ−ợc thực hiện trong các lò nung, c−ờng độ nung kim loại không những phụ thuộc công tác nhiệt của lò mà còn phụ thuộc nhiều yếu tố khác nh−: tính chất nhiệt, vật lý của kim loại, kích th−ớc hình dạng của vật nung Việc xác định hợp lý c−ờng độ nung và thời gian nung có ảnh h−ởng rất lớn đến chất l−ợng sản phẩm cũng nh− các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của lò. 3.1.2. Các hiện t−ợng xẩy ra khi nung Trong quá trình nung, tuỳ theo kim loại cũng nh− điều kiện nung có thể xẩy ra nhiều hiện t−ợng không mong muốn nh−: hiện t−ợng oxy hóa kim loại, hiện t−ợng thấm hoặc thoát cácbon (đối với các loại thép), hiện t−ợng quá nhiệt hoặc cháy, hiện t−ợng nứt. - Hiện t−ợng oxy hóa: trong môi tr−ờng nhiệt độ cao và tác động của môi tr−ờng khí lò, kim loại ở lớp bề mặt bị oxy hóa, gây ra sự cháy hao kim loại. L−ợng kim loại bị cháy hao trong một lần nung để cán và rèn từ 1- 2 %, nung để nhiệt luyện khoảng 0,5 - 1,0 %. Tốc độ oxy hóa kim loại xẩy ra mạnh khi ở nhiệt độ cao, ví dụ đối với chi tiết bằng thép khi nhiệt độ trên 800oC xẩy ra với tốc độ rất lớn. - Hiện t−ợng thoát các bon: Đối với chi tiết bằng thép, song song với quá trình oxy hóa còn xẩy ra quá trình khử các bon, các phản ứng khử cacbon xẩy ra nh− sau: 2H2 + Fe3C → 3Fe + CH4 CO2 + Fe3C → 3Fe + 2CO H2O + Fe3C → 3Fe + H2 + CO -43-
- Hiện t−ợng nứt: Khi nung, nếu tốc độ nung lớn, trong kim loại phát sinh ứng suất nhiệt do các lớp kim loại có nhiệt độ khác nhau, nếu ứng suất sinh ra quá lớn, kim loại có thể bị nứt. Do vậy, khi nung các loại thép có hàm l−ợng cacbon cao, thép hợp kim lúc đầu phải nung với tốc độ chậm để tránh nứt (trong khoảng nhiệt độ d−ới 500oC), còn khi ở nhiệt độ cao cần nung với tốc độ lớn để giảm cháy hao và tăng năng suất. Còn khi nhiệt độ nung chọn không hợp lý có thể dẫn đến kim loại bị quá nhiệt hoặc cháy làm giảm chất l−ợng sản phẩm hoặc gây ra phế phẩm. 3.1.3. Chế độ nung khi nung kim loại Chế độ nung quyết định c−ờng độ nung kim loại, th−ờng đ−ợc thể hiện qua các giản đồ nung, biểu hiện sự thay đổi nhiệt độ của lò, nhiệt độ kim loại theo thời gian. Chọn chế độ nung hợp lý không những nâng cao chỉ tiêu kỹ thuật, chất l−ợng sản phẩm mà còn làm tăng đáng kể hiệu quả kinh tế. Tuỳ thuộc tính chất kim loại, hình dáng, kích th−ớc cũng nh− nhiệt độ yêu cầu sau khi nung, ng−ời ta có thể ứng dụng nhiều chế độ nung khác nhau. Trên hình 3.1 trình bày một số giản đồ nung với các chế độ nung điển hình. o o o t C t C t C t t t k k k t tm tm m tt tt tt I τ I II τ I II III a) b) c) Hình 3.1 Giản đồ nung a) Nung 1 giai đoạn b) Nung 2 giai đoạn c) Nung 3 giai đoạn - Giản đồ hình 3.1a: giản đồ nung một giai đoạn th−ờng áp dụng cho các vật nung mỏng hoặc các vật nung trung bình có hệ số dẫn nhiệt lớn (trở nhiệt bé). - Giản đồ hình 3.1b: giản đồ nung hai giai đoạn th−ờng áp dụng cho các vật nung trung bình có hệ số dẫn nhiệt khá lớn (trở nhiệt trung bình) và độ chênh lệch nhiệt độ mặt và tâm cho phép sau khi nung khá lớn. -44-
- Giản đồ hình 3.1c: giản đồ nung ba giai đoạn có giai đoạn giữ nhiệt, áp dụng cho các vật nung dày, có hệ số dẫn nhiệt thấp (trở nhiệt cao) và độ chênh lệch nhiệt độ mặt và tâm cho phép sau khi nung bé. Khi xây dựng các giản đồ nung, nếu chúng ta chọn nhiệt độ lò cao, c−ờng độ nung lớn, giảm đ−ợc thời gian nung, giảm đ−ợc cháy hao kim loại nh−ng dễ gây ra nứt (nhất là giai đoạn khi nhiệt độ vật nung còn thấp) và quá nhiệt kim loại. Ng−ợc lại, chọn nhiệt độ lò thấp, c−ờng độ nung bé, thời gian nung kéo dài, tăng oxy hoá (nhất là khi ở nhiệt độ cao) và giảm năng suất. 3.2. Tính toán thời gian nung 3.2.1. Các điều kiện giới hạn khi nung Tính toán quá trình nung kim loại liên quan tới việc giải ph−ơng trình vi phân truyền nhiệt dẫn nhiệt (ph−ơng trình Phu-ri-ê) có dạng: ∂t ⎛ ∂ 2 t ∂ 2 t ∂ 2 t ⎞ = a⎜ + + ⎟ (3.1) ⎜ 2 2 2 ⎟ ∂τ ⎝ ∂x ∂y ∂z ⎠ Trong đó a là hệ số truyền nhiệt độ: λ a = [m2/s] (3.2) cρ Nghiệm của ph−ơng trình (3.1) xác lập mối quan hệ giữa sự thay đổi của nhiệt độ của vật thể theo thời gian và không gian: t = f(x,y,z,τ) (3.3) Nghiệm cụ thể của ph−ơng trình phụ thuộc vào các điều kiện giới hạn: trạng thái nhiệt độ ban đầu của vật thể (gọi là điều kiện ban đầu), kích th−ớc hình học của vật thể và quy luật trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật thể với môi tr−ờng chung quanh (gọi là điều kiện biên). a) Điều kiện ban đầu : là điều kiện giới hạn về thời gian, xác định sự phân bố nhiệt độ vật thể tại thời điểm ban đầu τ = 0, biểu thị bởi hàm số có dạng: tđ = f(x, y, z, 0) (3.4) Tr−ờng hợp đơn giản nhất là tr−ờng hợp nhiệt độ ban đầu của vật thể ở mọi điểm là nh− nhau: tđ = t0 = const. Đối với trạng thái nhiệt ổn định, nhiệt độ ban đầu của vật thể không ảnh h−ởng đến sự phân bố nhiệt độ của vật thể nên điều kiện giới hạn về thời gian không cần chú ý đến. -45-
b) Điều kiện biên: là điều kiện giới hạn về không gian, đ−ợc chia ra ba tr−ờng hợp: - Điều kiện biên loại 1: cho chế độ nhiệt độ của bề mặt vật thể, nghĩa là cho biết nhiệt độ bề mặt của vật thể thay đổi nh− thế nào theo thời gian: tm = f(τ). (3.5) Ví dụ nhiệt độ bề mặt vật thể tăng theo hàm số bậc nhất: tm = Cnτ hay tm = tđ + Cnτ (3.6) o Trong đó Cn là tốc độ nung [ C/s]. - Điều kiện biên loại 2: cho tr−ớc dòng nhiệt đi qua mặt vật thể. q = f(τ) hay q = const. (3.7) - Điều kiện biên loại 3: Cho chế độ nhiệt độ của nguồn nhiệt và quy luật truyền nhiệt từ nguồn nhiệt đến bề mặt vật thể. tlò = f(τ) hay tlò = const (3.8) 4 4 Và q = α()t lò − t m hay q = C 0 (Tlò − Tm ) 3.2.2. Ph−ơng pháp tính Trong tr−ờng hợp tổng quát, việc xác định thời gian nung bằng ph−ơng pháp giải giải tích ph−ơng trình vi phân truyền nhiệt kết hợp với các điều kiện giới hạn th−ờng rất phức tạp và gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên, trong những tr−ờng hợp đơn giản nh− vật nung có dạng hình học đơn giản (hình tấm, hình trụ, hình cầu) và với những giả thiết gần đúng, cho phép ta giải bài toán với độ chính xác chấp nhận đ−ợc. D−ới đây khảo sát một số tr−ờng hợp điển hình khi tính toán thời gian nung kim loại trong lò. a) Phân loại vật nung Để tính toán ng−ời ta phân vật nung thành hai loại: vật mỏng và vật dày. Các vật nung đ−ợc coi là vật mỏng là những vật có trở nhiệt bé (tỉ số giữa chiều x dày và hệ số dẫn nhiệt → 0) , đó là các vật mà vật liệu có hệ số dẫn nhiệt rất lớn λ (λ → ∞ ) hoặc chiều dày của vật bé (x → 0 ). Khi đó nhiệt độ vật gần nh− đồng nhất trong toàn bộ vật thể và chỉ phụ thuộc thời gian: t = f(τ) x Các vật dày là những vật có trở nhiệt lớn ( →có giá trị đáng kể), nhiệt độ vật λ nung phụ thuộc toạ độ điểm khảo sát và thời gian: -46-
t = f(x,y,z,τ) Khi đó không thể bỏ qua chênh lệch nhiệt độ giữa mặt và tâm trong quá trình nung. Trong tính toán, ng−ời ta th−ờng dùng tiêu chuẩn Bi (tiêu chuẩn Bi-ô) để xác định giới hạn giữa vật mỏng và vật dày: αx Bi = (3.9) λ Trong đó: α - hệ số trao đổi nhiệt [W/m2.độ]. λ - hệ số dẫn nhiệt [W/m.độ]. x - tọa độ điểm khảo sát [m]. Khi giá trị Bi 0,5 gọi là vật dày, còn với giá trị Bi = 0,25 - 0,5 đ−ợc coi là vật trung bình nh−ng trong tính toán th−ờng tính toán theo vật dày. b) Tính thời gian nung các vật mỏng Để tính toán thời gian nung đối với các vật mỏng với điều kiện biên loại 3, ng−ời ta chia thời gian nung thành nhiều giai đoạn, ứng với mỗi giai đoạn coi nhiệt độ lò và nhiệt độ vật không đổi và lấy bằng giá trị trung bình. Tổng thời gian nung xác định theo công thức: n τ = ∑τni [h] (3.10) i=1 Khi đó thời gian nung với mỗi giai đoạn tính theo công thức: xρc τ = (F − F ) [h] (3.11) i kα tc td Trong đó: x - chiều dày quy dẫn [m]. ρ - khối l−ợng riêng của vật liệu, [kg/m3]. c- nhiệt dung của vật liệu [Kcal/kg.oC]. k - hệ số hình dạng, ví dụ đối với dạng tấm k = 1, dạng trụ k = 2. α - hệ số trao đổi nhiệt bề mặt [Kcal/m2.h.oK4]. Ftđ, Ftc - thông số nhiệt độ, tra theo biểu đồ (hình 3.2 và 3.3) ứng với nhiệt độ đầu và cuối giai đoạn. Các thông số vật lý trong biểu thức chọn theo nhiệt độ trung bình. -47-
Ft t oC k Hình 3.2 Biểu đồ xác định thông số nhiệt độ o khi tính thời gian nung đối với vật mỏng khi tk 1000 C c) Tính thời gian nung các vật dày Để tính toán với vật nung đ−ợc coi là vật dày, ng−ời ta ứng dụng rộng rãi các ph−ơng trình tiêu chuẩn đ−ợc thiết lập trên cơ sở của lý thuyết đồng dạng. Khi đó ph−ơng trình vi phân truyền nhiệt đ−ợc viết lại d−ới dạng ph−ơng trình của các tiêu chuẩn đồng dạng là những đại l−ợng không thứ nguyên. Đối với vật nung đơn giản và điều kiện biên loại ba, ph−ơng trình có dạng: -48-
ϑτ ⎛ x ⎞ φ = = F⎜Bi,Fo, ⎟ (3.12) ϑ0 ⎝ x0 ⎠ ϑ Trong đó φ = τ thông số nhiệt độ t−ơng đối, xác định theo công thức (3.13): ϑ0 ϑ t − t φ = τ = k vτ (3.13) ϑ0 t k − t vτo o t k - nhiệt độ trung bình của khí lò [ C]. o t vτ - nhiệt độ của điểm khảo sát trên vật nung tại thời điểm τ [ C]. o tvτo - nhiệt độ ban đầu của điểm khảo sát trên vật nung [ C]. aτ Fo- tiêu chuẩn Fu-ri-ê: Fo = (3.14) x2 x x - tọa độ t−ơng đối của điểm khảo sát, khi = 0 thì điểm khảo sát ở tâm vật x0 x0 x thể, = 1 thì điểm khảo sát ở trên bề mặt vật thể. x0 Bằng tính toán lý thuyết và thực nghiệm, ng−ời ta xây dựng các biểu đồ biểu thị quan hệ giữa các tiêu chuẩn (ph−ơng trình 3.12) ứng với các tr−ờng hợp khác nhau. Trên các hình (3.4 - 3.7) giới thiệu biểu đồ tính toán ứng với vật nung dạng tấm và dạng trụ. Hình 3.4 Nhiệt độ t−ơng đối của bề mặt vật khi vật nung dạng tấm -49-
Hình 3.5 Nhiệt độ t−ơng đối của tâm vật khi vật nung dạng tấm Hình 3.6 Nhiệt độ t−ơng đối của mặt vật khi vật nung dạng trụ Thời gian nung vật dày gồm thời gian nung cơ bản và thời gian giữ nhiệt, để tính toán ng−ời ta cũng chia thời gian nung thành nhiều giai đoạn, trong mỗi giai đoạn nhiệt độ khí lò và nhiệt độ kim loại đ−ợc coi nh− không đổi và lấy bằng nhiệt độ trung bình. Khi đó tổng thời gian nung xác định bởi công thức: n−1 τ = ∑τni + τgn (3.15) i=1 Trong đó: n - số giai đoạn nung và giữ nhiệt. -50-
τni - thời gian nung cơ bản ứng với giai đoạn thứ i. τgn - thời gian giữ nhiệt với mục đích làm đồng đều nhiệt độ giữa tâm và mặt Hình 3.7 Nhiệt độ t−ơng đối của tâm vật khi vật nung dạng trụ Để tính thời gian nung cơ bản, ta tiến hành tính toán cho từng giai đoạn. Trong mỗi giai đoạn, dựa vào nhiệt độ trung bình của kim loại, lấy gần đúng theo nhiệt độ d c t m + t m trung bình của mặt vật t i = , xác định các thông số vật lý của vật liệu, tính tiêu 2 chuẩn Bii, nhiệt độ t−ơng đối bề mặt φm,i và tra biểu đồ Fo m = F(Bi,φm ) để xác định tiêu chuẩn Foi. Biết giá trị của Foi, tính đ−ợc thời gian nung: 2 Foi .x0 τn,i = (3.16) a i Sau đó dùng giản đồ φt = F(Bii ,Foi ), xác định đ−ợc φt,i và tính nhiệt độ tâm cuối giai đoạn theo công thức: c d t t,i = t k,i − (t k,i − t t,i )φt,i (3.17) Để tính thời gian giữ nhiệt, tr−ớc hết cần xác định độ chênh nhiệt độ cho phép giữa mặt và tâm cuối giai đoạn giữ nhiệt: c c []∆t c = t m − t t = δt.x0 (3.18) -51-
o Trong đó δt là độ chênh nhiệt độ cho phép trên một đơn vị chiều dày [ C/cm], x0 chiều dày truyền nhiệt [cm]. Nếu đầu giai đoạn giữ nhiệt (cuối giai đoạn nung cuối cùng) độ chênh nhiệt độ mặt và tâm ∆t d > [∆t c ] ta phải tính thời gian giữ nhiệt. c Giả thiết nhiệt độ tâm khi kết thúc giữ nhiệt yêu cầu bằng t t , xác định nhiệt độ mặt tấm: c c t m = t t + ∆t c (3.19) d d c Biết t m , t t và t m , tính đ−ợc Bi và φm, tra biểu đồ Fo m = (Bi,φm ) để xác định giá trị của Fo và tính τgn. aτ Fo = x2 0 0,12 3 0,8 2 1 1 6 0,4 2 5 4 ∆t 00,20,40,6 c ∆t c Hình 3.8 Biểu đồ tra Fo khi giữ nhiệt 1) Dạng tấm. 2-5) Dạng thỏi (khi B/S=2;1,5;1,2;1) 6) Dạng trụ Để tính thời gian giữ nhiệt τgn khi tm= const, cũng có thể sử dụng ph−ơng trình thực nghiệm đối với mỗi dạng vật nung: - Đối với dạng tấm: aτ −2,47 gn ∆t 2 c = 1,03.e x0 (3.20) ∆t d - Đối với dạng trụ: aτ −5,76 gn ∆t 2 c = 1,142.e r0 (3.21) ∆t d aτ aτ −2,47 gn −8,25 gn 2 2 ∆t c h r0 Hoặc = 1,142.e khi r0 <0,5h. ∆t d Trong đó: r0, h là bán kính và chiều dài thỏi hình trụ [m]. -52-
Hoặc sử dụng biểu đồ hình 3.8, khi đó: Fo.x2 τ = 0 (3.22) a Đối với vật nung dạng thỏi, Fo phụ thuộc vào tỉ lệ giữa bề rộng thỏi (B) và chiều dày truyền nhiệt (S). 3.3. Ví dụ tính thời gian nung Ta xét tr−ờng hợp vật nung bằng thép C20 dạng tấm, chiều dày 2x0 =200 mm, tđ = o o 20 C, nhiệt độ nung yêu cầu tt,c = 1200 C, nung đối xứng 2 mặt. Giản đồ nung biểu thị trên hình 3.9 gồm 2 giai đoạn nung và một giai đoạn giữ nhiệt. o 2 o 4 - Giai đoạn 1: nung từ 20 - 1000 C, có hệ số bức xạ quy dẫn C1 = 2,92 Kcal/m .h. K . o - Giai đoạn 2: nung từ 1000 - 1200 C, có hệ số bức xạ quy dẫn C2 = 2,57 Kcal/m2.h.oK4. 2 o 4 - Giai đoạn 3: giữ nhiệt, có hệ số bức xạ quy dẫn C3 = 2,34 Kcal/m .h. K . toC tk1 =1350 tk3 =1250 tm2=1200 ∆t3 = 30 tm1=1000 tt2 tk0 =1000 tm tt1 tt t =t =20 m0 to τn 1 τn 2 τgn τ Hình 3. 9 Giản đồ nung a) Giai đoạn nung 1: - Nhiệt độ trung bình của khí lò: t k0 + t k1 1000 +1350 o t k1 = = = 1175 [C] 2 2 - Nhiệt độ trung bình của kim loại: t m0 + t m1 20 +1000 o t1 = = = 510 [ C] 2 2 -53-
3 o o Tra bảng ta có: ρ1 = 7695 [kg/m ], λ1 = 33,8 [Kcal/m.h. C], c1 = 0,134 [Kcal/kg. C] 2 và tính đ−ợc a1 = 0,033 [m /h]. - Hệ số truyền nhiệt bức xạ: 4 4 ⎡⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎤ T k1 T 1 4 4 C ⎢⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎥ ⎡⎛1448 ⎞ ⎛ 783⎞ ⎤ 1 ⎢⎜ 100 ⎟ ⎜100 ⎟ ⎥ 2,92.⎢⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎥ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎝100 ⎠ ⎣⎢ ⎦⎥ ⎣⎢ ⎦⎥ 2 o 4 α1,bx = = = 176 [Kcal/m .h. K ] T k1 − T 1 1448 − 783 Lấy α1,dl = 0,1.α1,bx , ta tính đ−ợc hệ số truyền nhiệt tổng cộng: 2 o 4 α1 = α1,bx + α1,dl = 1,10.α1,bx = 1,10.176 = 194 [Kcal/m .h. K ] - Tính tiêu chuẩn Bi: α1.x0 194.0,1 Bi1 = = = 0,57 λ1 33,8 Bi1 = 0,57 >Bith, vật nung coi là vật dày. - Tính nhiệt độ t−ơng đối của mặt tấm: T k1 − Tm1 1448 −1000 φm1 = = = 0,15 T k1 − Tm0 1448 − 293 - Tính thời gian nung giai đoạn 1: Biết Bi1 = 0,57, φm1 = 0,15 tra biểu đồ Fo m = (Bi1,φm1 ) xác định đ−ợc Fo1 = 3,4 và tính đ−ợc thời gian nung: 2 2 Fo1 .x 0 3,4.0,1 τ n1 = = = 1,04 [h] a 1 0,33 - Xác định nhiệt độ tâm cuối giai đoạn: ⎛ x ⎞ ⎜ ⎟ Biết Bi, Fo tra biểu đồ φt = ⎜Bi,F0 , ⎟ xác định đ−ợc φt1 = 0,2 và tính nhiệt độ tâm ⎝ x0 ⎠ cuối giai đoạn: o t t1 = t k1 − (t k1 − t t0 ).φ t1 = 1175 − (1175 − 20).0,2 = 944 [C] b) Giai đoạn nung 2: - Nhiệt độ trung bình của khí lò: o t k2 = 1350 [C] - Nhiệt độ trung bình của kim loại: -54-
t m1 + t m2 1000 +1200 o t 2 = = = 1100 [C] 2 2 3 o o Tra bảng ta có: ρ2 = 7696 [kg/m ], λ2 = 24,5 [Kcal/m.h. C], c2 = 0,165 [Kcal/kg. C] 2 và tính đ−ợc a2 = 0,02 [m /h]. - Hệ số truyền nhiệt bức xạ: 4 4 ⎡⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎤ T k2 T 2 4 4 C ⎢⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎥ ⎡⎛1623⎞ ⎛1373⎞ ⎤ 2 ⎢⎜ 100 ⎟ ⎜100 ⎟ ⎥ 2,57.⎢⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎥ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎣⎢ ⎦⎥ ⎣⎢ ⎦⎥ 2 o 4 α2,bx = = = 348 [Kcal/m .h. K ] T k2 − T 2 1623 −1373 Lấy α2,dl = 0,05.α1,bx , ta tính đ−ợc hệ số truyền nhiệt tổng cộng: 2 o 4 α1 = α1,bx + α1,dl = 1,05.α1,bx = 1,05.348 = 365 [Kcal/m .h. K ] - Tính tiêu chuẩn Bi: α2 .x0 365.0,1 Bi2 = = = 1,49 λ2 24,5 - Tính nhiệt độ t−ơng đối của mặt tấm: T k2 − Tm2 1623 −1473 φm2 = = = 0,43 T k2 − Tm1 1623 −1273 - Tính thời gian nung giai đoạn: Biết Bi2 = 1,49, φm2 = 0,43 tra biểu đồ Fo m = (Bi2 ,φm2 ) xác định đ−ợc Fo 2 = 0,5 và tính đ−ợc thời gian nung: 2 2 Fo 2 .x 0 0,5.0,1 τ 2 = = = 0,25 [h] a 2 0,02 - Xác định nhiệt độ tâm cuối giai đoạn: Biết Bi2, Fo2 tra biểu đồ φt = (Bi2 ,Fo2 ) xác định đ−ợc φt2 = 0,6 và tính nhiệt độ tâm cuối giai đoạn: o t t2 = t k2 − (t k2 − t t1 ).φ t2 = 1350 − (1350 − 944).0,6 = 1106 [C] c) Tính thời gian giữ nhiệt - Nhiệt độ trung bình của khí lò: o t k3 = 1250 [C] Độ chênh nhiệt độ giữa mặt và tâm cho phép 3oC/cm: -55-
o ∆t 3 = δt.x0 = 30 [C] ∆t 30 Tỉ số c = = 0,32 , tra biểu đồ (3.8) nhận đ−ợc Fo = 0,5, tính đ−ợc: ∆t d 94 2 2 Fo3.x0 0,5.0,1 τgn = = = 0,23 [h]. a3 0,022 Vậy thời gian nung tổng cộng: τ = τ1 + τ2 + τgn = 1,04 + 0,25 + 0,23 = 1,52 [h] -56-
Ch−ơng 4 Nhiên liệu và sự cháy của nhiên liệu 4.1. Nhiên liệu 4.1.1. Khái niệm chung Nhiên liệu là loại vật chất mà khi cháy tỏa ra một l−ợng nhiệt lớn, l−ợng nhiệt này có thể sử dụng một cách có hiệu quả trong công nghệ cũng nh− trong đời sống. Nhiên liệu phải thoả mãn các yêu cầu chung sau đây: + Sản phẩm cháy của nhiên liệu phải ở thể khí. Khi đó, sản vật cháy mới có thể chuyển động thuận lợi trong lò, truyền nhiệt cho vật nung và thoát ra ngoài dễ dàng để phản ứng cháy của nhiên liệu tiếp tục xẩy ra. + Sản phẩm cháy không gây tác động có hại đối với vật liệu gia công, không phá hủy thiết bị, không độc hại đối với ng−ời và sinh vật xung quanh. + Có thể khống chế đ−ợc quá trình cháy. + Trữ l−ợng lớn và giá thành khai thác, chế biến thấp. Từ các yêu cầu chung ở trên, ta thấy chỉ những chất có nguồn gốc hữu cơ, gồm các bon và hyđrô tạo thành, mới có thể thoả mãn đồng thời các yêu cầu đó. Các bon và hyđrô khi bị oxy hoá đều có hiệu ứng nhiệt lớn, sản phẩm cháy ở thể khí và với nồng độ không lớn là loại khí không độc hại. 4.1.2. Các loại nhiên liệu a) Phân loại - Căn cứ vào nguồn gốc hình thành, nhiên liệu đ−ợc phân ra: thiên nhiên, nhân tạo. - Căn cứ vào trạng thái, nhiên liệu đ−ợc phân ra: nhiên liệu rắn, nhiên liệu lỏng, nhiên liệu khí. Các loại nhiên liệu đ−ợc sử dụng trong công nghiệp trình bày ở bảng 4.1. Bảng 4.1 Phân loại nhiên liệu sử dụng trong công nghiệp Trạng thái Nguồn gốc Thiên nhiên Nhân tạo Rắn Củi, gỗ, than bùn, than nâu, than Than củi, than cốc, than bụi, khói, than ăngtraxit, Lỏng Dầu mỏ ét xăng, dầu hoả, mazut, Khí Khí đốt thiên nhiên Khí đốt lò cốc, khí lò cao, khí lò sinh khí, -57-
b) Nhiên liệu rắn - Nhiên liệu rắn thiên nhiên: gồm các loại gỗ, than bùn, than nâu, than khói, than antraxit. Gỗ: Thành phần chủ yếu của gỗ là xen-luy-lô, n−ớc và một số oxyt kim loại kiềm. Thành phần nguyên tố của gỗ nh− sau: %C = 49,4 ữ 50,4; %H = 5,9 ữ 6,1; %O = 42,7 ữ 43,9; %N = 0,7 ữ 1. Nhiệt trị Qd = 1.878 ữ 4.460 Kcal/kg. Gỗ có hàm l−ợng chất bốc cao (khoảng 80 %) dễ cháy, không chứa l−u huỳnh, hàm l−ợng tro nhỏ (A = 0,7 ữ 1,2 %), nh−ợc điểm của gỗ là chứa nhiều n−ớc (gỗ t−ơi W = 40 ữ 60 %, gỗ khô W = 30%), nhiệt trị của gỗ thấp ( khi w = 50 %, Qd =1878 Kcal/kg), khối l−ợng thể tích nhỏ nên chi phí vận chuyển cao. Gỗ là loại nhiên liệu đ−ợc dùng nhiều tr−ớc đây, song hiện nay gỗ là nguồn nguyên liệu có giá trị của nhiều ngành công nghiệp khác nên rất hạn chế dùng để làm nhiên liệu. Than bùn: là loại than trẻ tuổi nhất vừa chuyển từ thực vật sang, chứa nhiều n−ớc, mới khai thác W = 85 ữ 91 %, phơi khô kỹ vẫn còn W = 30 ữ 40 %, khối l−ợng thể tích nhỏ 325 ữ 425 kg/m3. Thành phần nguyên tố trung bình của than: %Cc = 57,8; %Hd c c k =6,0; %O = 33,4; %N = 2,5; %S =0,3; %A = 9,7. Nhiệt trị Qd = 2.660 ữ 2.940 Kcal/kg. Than bùn có −u điểm: dễ bốc cháy, chứa ít l−u huỳnh, dễ khí hóa. Nh−ợc điểm: khối l−ợng thể tích nhỏ, độ bền cơ học thấp, nhiệt trị thấp, điểm chảy của tro thấp. Than bùn chủ yếu dùng trong công nghiệp địa ph−ơng, gần nơi khai thác. Than nâu: than nâu do than bùn trải qua một thời kỳ biến đổi tạo thành, quá trình chuyển biến từ thực vật sang khoáng vật đã hoàn thành. Thành phần nguyên tố của than nâu: %Cc = 72 ữ 78 ; %Hd = 4,4ữ 5,6; %O = 15 ữ 21; %Nc = 1,3 ữ 1,5; %Sc = 0,4; k d %A = 11 ữ 30; %W = 35 - 50. Nhiệt trị Qd = 2.660 ữ 4.100 Kcal/kg. So với than bùn, than nâu có thành phần các bon cao hơn, khối l−ợng thể tích từ 800 ữ 900 kg/m3, độ bền cơ học cao hơn, hút n−ớc ít hơn, thành phần chất bốc thấp hơn. Than nâu có thể đ−ợc dùng làm nhiên liệu cho các lò nhiệt độ không cao, khí hoá để sản xuất khí đốt. -58-
Than khói: Quá trình các bon hoá của than hoàn thiện hơn, độ hút n−ớc của than bé, l−ợng chất bốc giảm, độ bền cơ học cao hơn. Theo công dụng than khói đ−ợc phân ra: than lửa dài, than khí đốt, than béo, than luyện cốc, than gầy. Than lửa dài và than khí đốt có hàm l−ợng chất bốc còn khá cao, khi cháy sinh ra ngọn lửa dài, đ−ợc dùng đốt trực tiếp hoặc chế tạo khí đốt. Than béo một phần đốt trực tiếp, một phần để luyện cốc. Than luyện cốc là loại than quý dùng để luyện than cốc, loại nhiên liệu quan trọng trong các lò luyện và nấu gang. Than gầy chủ yếu dùng để đốt trực tiếp. - Than không khói ( than antraxit): than không khói là loại than già tuổi nhất, độ bền lớn, hút ẩm ít, hàm l−ợng các bon cao, l−ợng chất bốc thấp, khi cháy không sinh khói. Hàm l−ợng tro và l−u huỳnh trong than biến đổi trong phạm vi rộng. Than không khói đ−ợc dùng đốt trực tiếp, một phần đ−ợc nhiệt luyện để thay thế một phần than cốc trong nấu gang. - Nhiên liệu rắn nhân tạo: than gỗ, than cốc, than antraxit nhiệt luyện. Than gỗ: than gỗ đ−ợc chế tạo bằng cách ch−ng khô củi gỗ theo ph−ơng pháp thủ công hoặc dùng lò kín và nung bằng không khí nóng 350 - 400 oC. Thành phần hữu cơ của than gỗ: %C = 79,81 ữ 88,87 ; %H = 4,33 ữ 3,23; % (O+N) = 15,86 ữ 7,90. Than gỗ chứa ít l−u huỳnh, tr−ớc đây đ−ợc sử dụng làm nhiên liệu cho lò đúc, lò cao cở nhỏ nh−ng hiện nay ít dùng. Than cốc: Than cốc đ−ợc luyện bằng cách nung bột than có tính dính kết tốt (than luyện cốc, than béo) trong môi tr−ờng cách biệt với không khí tới nhiệt độ 850 - 1000oC sau đó làm nguội. Quá trình luyện cốc nh− sau: nghiền than đến độ hạt khoảng 3 mm, chất vào lò và nung. D−ới tác dụng của nhiệt, than đ−ợc sấy khô và ch−ng, trong than xẩy ra các phản ứng phân hóa nhiệt. Giai đoạn quan trọng nhất đối với sự tạo thành than cốc là ở nhiệt độ 400 - 500 oC, than bị biến mềm và tiết ra chất bốc làm cho khối than trở nên xốp. Tiếp tục nâng nhiệt độ, khối than sẽ chuyển sang trạng thái rắn ta thu đ−ợc than cốc. Than cốc đ−ợc lấy ra khỏi lò và làm nguội bằng n−ớc sau đó sàng phân loại theo cỡ hạt. Than cốc có đặc điểm: độ bền cơ và bền nhiệt cao, độ xốp than lớn, hàm l−ợng chất bốc thấp, hàm l−ợng tro từ 8 - 14%. Than cốc chủ yếu dùng cho các lò cao luyện gang và các lò đứng nấu gang. -59-
Than antraxit nhiệt luyện: Than antraxit có độ xốp bé, khi bị nung nóng đột ngột, n−ớc và chất bốc thoát ra mạnh làm cho than bị vỡ vụn nhiều gây khó khăn cho quá trình chạy lò. Để tăng độ bền nhiệt của than antraxit ng−ời ta tiến hành nhiệt luyện. Quá trình nhiệt luyện than tiến hành nh− sau: đem than nung nóng chậm đến 1000 - 1100oC, giữ nhiệt trong một thời gian sau đó làm nguội, thu đ−ợc than nhiệt luyện. Khi nung nóng chậm, n−ớc và chất bốc trong than thoát ra ngoài, hàm l−ợng n−ớc và chất bốc trong than giảm, đồng thời độ xốp của than tăng lên làm tăng đáng kể độ bền nhiệt của than khi chạy lò. Than gầy nhiệt luyện đ−ợc sử dụng thay thế một phần than cốc để nấu gang trong lò đứng và luyện gang trong các lò cao cỡ nhỏ. c) Nhiên liệu lỏng Nhiên liệu lỏng dùng trong lò công nghiệp chủ yếu là dầu mazut và dầu điêzen là các sản phẩm thu đ−ợc khi gia công dầu mỏ. Dầu mỏ nguyên khai là hỗn hợp của nhiều loại cacbua hyđrô và một l−ợng nhỏ các tạp chất của oxy, nitơ và l−u huỳnh. Các cacbua hyđrô trong dầu mỏ đ−ợc chia ra ba nhóm: mê-tan (CnH2n+2), náp-ten (CnH2n) và cacbua thơm (CnH2n-6). Dầu mỏ có khối l−ợng riêng 750 - 1.000 kg/m3, nhiệt trị 9.800 - 10.500 kcal/kg. Mặc dù dầu mỏ có nhiệt trị cao nh−ng ng−ời ta không dùng nó trực tiếp làm nhiên liệu vì trong nó chứa nhiều sản vật quý. Dầu mỏ đ−ợc gia công bằng hai ph−ơng pháp: ch−ng phân trực tiếp và crăc- kinh. Khi ch−ng phân trực tiếp, dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của các sản phẩm trong dầu mỏ, ng−ời ta ch−ng dầu mỏ ở những nhiệt độ cần thiết để tách riêng từng loại. Các sản phẩm thu đ−ợc khi ch−ng phân trực tiếp gồm: ét-xăng nhẹ, ét-xăng nặng, dầu hoả, ligrain, gajôin và mazut. Đem mazut ch−ng trong chân không, tiếp tục thu đ−ợc các loại dầu nhờn và hắc-ín. Crăc-king dầu mỏ là quá trình làm phân hóa nhiệt dầu mỏ ở 450 - 460oC để biến những cacbuahyđrô nặng thành những cacbuahyđrô nhẹ hơn. Nhờ ph−ơng pháp crăc- king ng−ời ta tăng thêm đ−ợc l−ợng dầu nhẹ thu hồi khi gia công dầu mỏ. d) Nhiên liệu khí So với nhiên liệu rắn và lỏng, nhiên liệu khí có nhiều −u điểm hơn: + Dễ hoà trộn với không khí nên chỉ cần hệ số d− không khí nhỏ cũng đảm bảo đốt cháy hoàn toàn, giảm tổn thất nhiệt do khói lò mang ra ngoài. -60-
+ Có thể đạt d−ợc nhiệt độ cháy cao nhờ nung nóng tr−ớc không khí và nhiên liệu. + Thiết bị đốt đơn giản, dễ khống chế nhiệt độ, chiều dài ngọn lửa và áp suất trong lò. + Dễ vận chuyển từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ. - Khí đốt thiên nhiên: Khí đốt thiên nhiên có ở các mỏ riêng hoặc ở các mỏ dầu. Thành phần có thể cháy trong nó chủ yếu là mê tan(CH4), chiếm khoảng 75 - 98%, một ít cacbuahyđrô nặng, hyđrô và CO, thành phần không thể cháy là CO2 và N2. 3 Khí đốt thiên nhiên có năng suất toả nhiệt cao, Qd ≈ 8.600 Kcal/m . - Khí đốt nhân tạo: Khí đốt nhân tạo gồm nhiều loại (bảng 4.2). Bảng 4.2 Thành phần và nhiệt trị của khí nhân tạo Loại khí Thành phần theo thể tích (%) Qd 3 đốt CO2+H2 S O2 CO H2 CH4 CmHn N2 kcal/m Khí đốt 5.300 bán cốc 12 -15 0,2-0,5 7 - 12 8 - 12 45 - 62 5 - 8 2 - 10 -7.000 Khí đốt 3.700 lò cốc 2 - 3 0,7 - 1,2 4 - 8 53 - 60 19 - 25 1,6 - 2,3 7 - 15 - 4.000 Khí đốt 2.400 hơi n−ớc 5 - 7 0,1 - 0,2 35 - 40 47 - 52 0,3 - 0,6 - 2 - 6 - 2.500 Khí đốt 1.150 hỗn hợp 5 - 7 0,1 - 0,3 24 - 30 12 - 15 0,5 - 3 0,2 - 0,4 46 - 55 - 1.550 Khí đốt 900 không khí 0,5 - 15 - 32 - 33 0, 5 -0,9 - - 64 - 66 - 1.030 Khí đốt 900 lò cao 8 - 14 - 23 - 31 10 -15 0,1 - 2,6 - 48 - 60 - 1.265 Khí đốt lò cao: là sản phẩm phụ khi luyện gang bằng lò cao, luyện 1 tấn gang thu đ−ợc 3.600 - 4.000 m3 khí lò cao. Thành phần khí cháy chủ yếu của khí lò cao là CO (hàm l−ợng 23 - 31%) và hyđrô (hàm l−ợng 10 - 15%). Nhiệt trị khí lò cao thấp (Qd= 900 - 1265 Kcal/m3), để nâng cao nhiệt độ cháy ng−ời ta th−ờng nung nóng tr−ớc hoặc hỗn hợp với khí lò cốc. -61-
Khí lò cốc: là sản phẩm phụ thu đ−ợc khi luyện than cốc, luyện 1 tấn than cốc thu 3 đ−ợc 230 - 270 m khí lò cốc. Thành phần có thể cháy của khí lò cốc chủ yếu là H2 (53 - 60%) và CH4 (19 - 225%), Qd = 3700 - 4000Kcal/kg. Khí đốt không khí là sản phẩm thu đ−ợc khi khí hóa than mà khí thổi là không khí. Thành phần cháy chủ yếu là CO (32 - 33%). Nhiệt trị khí đốt không khí thấp, Qd = 3780 - 4600 Kcal/kg. Khí đốt hơi n−ớc là sản phẩm thu đ−ợc khi khí hóa than bằng hơi n−ớc. Thành phần cháy chủ yếu là CO ( 35 - 40%) và H2 (47 - 52 %). Nhiệt trị khí đốt hơi n−ớc thấp Qd = 2400 - 2500 Kcal/kg và giá thành cao nên ít dùng trong luyện kim. 4.1.3. Thành phần của nhiên liệu Thành phần nhiên liệu là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất l−ợng của nhiên liệu. a) Thành phần nhiên liệu rắn và lỏng Đối với các nhiên liệu rắn và lỏng, thành phần của chúng rất phức tạp, các nguyên tố tạo thành chúng th−ờng không tồn tại một cách độc lập, mà hoá hợp với nhau tạo thành các hợp chất. Việc phân tích chính xác thành phần nhiên liệu theo các hợp chất tạo thành chúng rất khó khăn, bởi vậy trong tính toán nhiệt th−ờng ng−ời ta coi nhiên liệu rắn và lỏng bao gồm các chất tồn tại độc lập: - Các bon (C): là thành phần cháy chính của nhiên liệu rắn và lỏng. Phản ứng cháy hoàn toàn của cácbon với oxy có hiệu ứng nhiệt lớn. C +O2 = CO2 + 8.137 Kcal/kg - Hyđrô (H): dạng cháy đ−ợc gồm hyđrô tự do và hyđrô hóa hợp với các chất cháy đ−ợc, dạng không cháy đ−ợc là hợp chất với oxy. Phản ứng cháy của hyđrô với oxy: 1 H + O = H O + 34.180 Kcal/ kg 2 2 2 2 - Nitơ (N): là thành phần không cháy đ−ợc, trong nhiên liệu rắn và lỏng nitơ chỉ chiếm 1 - 2 % nên ít ảnh h−ởng. - L−u huỳnh (S): có ba dạng là l−u huỳnh hữu cơ, l−u huỳnh sunphit và l−u huỳnh dạng muối. Hai dạng đầu có thể cháy còn l−u huỳnh dạng muối không thể cháy. L−u huỳnh là tạp chất có hại trong nhiên liệu cần hạn chế. - Tro (A): gồm các khoáng chất SiO2, Al2O3, MgO, Fe2O3 là các thành phần không cháy đ−ợc. Hàm l−ợng tro trong nhiên liệu càng cao thì chất l−ợng nhiên liệu càng -62-
giảm do giảm hàm l−ợng chất cháy đ−ợc, tổn hao nhiệt do nung nóng tro, tăng l−ợng bụi trong sản phẩm cháy, gây khó khăn cho việc khống chế quá trình cháy. - N−ớc (W): gồm n−ớc hấp phụ bề mặt, n−ớc hấp thụ qua các lỗ xốp của nhiên liệu và n−ớc kết tinh. Khi sấy nhiên liệu chỉ hai dạng đầu là có khả năng bốc hơi còn dạng n−ớc kết tinh vẫn còn trong nhiên liệu. Đối với nhiên liệu rắn và lỏng, thành phần của chúng đ−ợc biểu diễn bằng bốn cách: + Chất hữu cơ : Ch + Hh + Oh + Nh = 100 %. (4.1) + Chất có thể cháy : Cc + Hc + Oc + Nc + Sc = 100 %. (4.2) + Chất khô : Ck + Hk + Ok + Nk + Sk +Ak = 100 %. (4.3) + Thông dụng: %Cd + %Hd + %Od + %Nd + %Sd +%Ad + %Wd = 100 % (4.4) Để chuyển đổi từ thành phần này qua thành phần khác ng−ời ta dùng các hệ số thế hoán cho ở bảng 4.3. Bảng 4.3. Hệ số chuyển đổi thành phần nhiên liệu rắn và lỏng Thành Thành phần muốn chuyển đổi phần đã biết Chất hữu cơ Có thể cháy Chất khô Thông dụng Chất hữu 1 100 − S c 100 − (S k + A k ) 100 − (S d + A d + W d ) cơ 100 100 100 Có thể 100 1 100 − A k 100 − (A d + W d ) cháy 100 − S c 100 100 Chất khô 100 100 1 100 − W d 100 − (S k + A k ) 100 − A k 100 Thông 100 100 100 1 dụng 100 − (S d + A d + W d ) 100 − (A d + W d ) 100 − W d b) Thành phần nhiên liệu khí Nhiên liệu khí th−ờng là hỗn hợp cơ học của một số khí, có thể phân tích chính xác từng thành phần của chúng. Các thành phần có thể cháy trong nhiên liệu khí gồm: CO, H2, CH4, CmHn, H2S. Các thành phần không thể cháy gồm CO2, N2, SO2, H2O, O2. Trong các thành phần có thể cháy thì các cacbuahyđrô nh− CH4, CmHn có năng suất toả nhiệt cao, sau đó là H2 và CO, còn H2S là thành phần có hại cần hạn chế. Thành phần nhiên liệu khí đ−ợc biểu thị bằng hai cách: + Thành phần khô: k k k k k k k CO2 + CO + H2 + CH4 + C2H2 + H2S + + N2 = 100 % (4.5) -63-
+ Thành phần −ớt: u u u u u u u u CO2 + CO + H2 + CH4 + C2H2 + H2S + + N2 + H2O = 100% (4.6) Công thức chuyển đổi giữa các thành phần nh− sau: 100 − H Ou Xu = X k . 2 (4.7) 100 k u 100 X = X . u (4.8) 100 − H 2O 100ω Trong đó: H O u = (4.9) 2 806,3 + ω Với ω là độ ẩm của nhiên liệu, tính bằng l−ợng n−ớc chứa trong một mét khối khí khô [ g/m3]. 4.1.4. Nhiệt trị của nhiên liệu Năng suất toả nhiệt hay nhiệt trị của nhiên liệu là l−ợng nhiệt toả ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối l−ợng nhiên liệu (nếu là nhiên liệu rắn và lỏng) hay một đơn vị thể tích nhiên liệu ( nếu là nhiên liệu khí), đ−ợc ký hiệu là Q [kcal/kg hoặc kj/kg và kcal/ m3 hoặc kj/m3]. Trong thực tế, ng−ời ta dùng hai khái niệm về nhiệt trị là nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp. - Nhiệt trị cao là nhiệt trị của nhiên liệu xác định với điều kiện các sản vật cháy nguội đến nhiệt độ ban đầu, n−ớc ở trong sản vật cháy ở thể lỏng và nguội đến 0oC, ký hiệu là Qc. - Nhiệt trị thấp là nhiệt trị của nhiên liệu xác định với điều kiện các sản vật cháy nguội đến nhiệt độ ban đầu, n−ớc ở trong sản vật cháy ở thể hơi và nguội đến 20oC, ký hiệu là Qd. Để xác định nhiệt trị của nhiên liệu có hai ph−ơng pháp: xác định bằng thực nghiệm và tính toán. Đối với nhiên liệu rắn và nhiên liệu lỏng, vì không biết thành phần cấu tạo chất, nên để xác định nhiệt trị th−ờng tiến hành bằng thực nghiệm. Ngoài ra, có thể tính toán gần đúng theo thành phần nguyên tố bằng các công thức thực nghiệm, trong đó công thức đ−ợc dùng nhiều là công thức của Men-đê-lê-ép: d d d d Qc = 4,18 [81C + 300H - 26( O - S )] [Kj/kg] (4.10) d d d d d Qd = 4,18 [81C + 246H - 26( O - S ) - 6W ] [Kj/kg] (4.11) -64-
Đối với nhiên liệu khí có thể xác định bằng thực nghiệm hoặc tính toán theo thành phần nhiên liệu. Công thức tính nhiệt trị của nhiên liệu khí khi biết thành phần khí nh− sau: 3 Qc = 4,18(30,2CO + 30,5H2 + 95CH4 +152C2H4 + . . . +61H2S)[Kj/m ] (4.12) 3 Qd = 4,18(30,2CO + 25,7H2 + 85,5CH4 +141C2H4 + . . . +56H2S) [Kj/m ] (4.13) 4.2. Sự cháy của nhiên liệu 4.2.1. Sự cháy của nhiên liệu rắn Quá trình cháy của nhiên liệu rắn (chủ yếu là than) là quá trình cháy dị thể giữa một chất là thể rắn (nhiên liệu) và một chất là thể khí (oxy của không khí). Tuy nhiên, trong quá trình cháy cũng xẩy ra một phần quá trình cháy đồng thể đó là quá trình cháy chất bốc. Quá trình cháy của nhiên liệu rắn có thể chia ra các giai đoạn sau: + Nung nóng và bốc hơi n−ớc. + Phân hóa nhiệt nhiên liệu, thoát chất bốc và tạo thành cốc. + Cháy chất bốc. + Cháy các bon. Khi cháy, sự cháy chất bốc xẩy ra tr−ớc, tuy thời thời gian cháy chất bốc ngắn, nh−ng nó có ý nghĩa quan trọng làm tăng nhiệt độ của nhiên liệu, thúc đẩy quá trình cháy tiếp theo. Sự cháy của các bon là quá trình cháy chủ yếu của nhiên liệu rắn. Quá trình cháy cac bon đ−ợc đặc tr−ng bởi các phản ứng sau: - Cháy cac bon: C + O2 = CO2 + 399 254 kj/kmol 2C + O2 = 2CO + 246 623 kj/kmol. - Phân hủy khí CO2 và hơi n−ớc: C + CO2 = 2CO - 162 530 kj/kmol C + 2H2O = CO2 + 2H2 - 65 294 kj/kmol - Cháy tiếp khí CO: 2CO + O2 = 2CO2 + 571 684 kj/kmol Trong quá trình cháy, các phản ứng cháy cac bon xẩy ra tr−ớc, các phản ứng phân hủy khí CO2, hơi n−ớc và cháy CO là các phản ứng tiếp theo (phản ứng thứ cấp). Quá trình cháy của các bon là quá trình cháy dị thể, do đó tốc độ khhuếch tán oxy tới bề mặt các -65-
bon ảnh h−ởng lớn tới quá trình cháy. L−ợng khí khuếch tán đến bề mặt vật rắn xác định bởi công thức: D V = (C − C ).τ.F [g] (4.14) δ 0 n Trong đó: V - l−ợng khí khuếch tán [gam]. D - hệ số khuếch tán phân tử [cm2/s]. δ - chiều dày lớp chảy tầng bao quanh vật rắn [cm]. 3 C0, Cn - nồng độ chất khuếch tán trong dòng khí và ở gần mặt vật rắn [g/cm ]. F - bề mặt vật rắn [cm2]. τ - thời gian [s]. Tốc độ khuếch tán của oxy đến mặt than phụ thuộc vào tiêu chuẩn Re và tốc độ dòng khí (ω): 0,031.ω βkt = 0,2 [cm/s] (4.15) Re L−ợng oxy khuếch tán đến bề mặt than, một phần cháy còn một phần đ−ợc bề mặt vật rắn hấp thụ. Sự hấp thụ oxy của mặt than chủ yếu phụ thuộc vào bề mặt than và áp suất khí, khi áp suất khí tăng l−ợng oxy đ−ợc hấp thụ tăng. Nghiên cứu tốc độ cháy các bon trong lớp nhiên liệu rắn gồm những hạt hình cầu, ng−ời ta thấy tốc độ biến đổi bề mặt than phụ thuộc áp suất khí và tốc độ dòng khí nh− sau: K = A()ωp 0,4 + B (4.16) Trong đó: K - tốc độ biến đổi bề mặt cầu [cm2/s]. ω, p - tốc độ và áp suất dòng khí, [m/s] và [at]. A, B: các hệ số thực nghiệm. Từ ph−ơng trình (4.16), ta nhận thấy khi tăng tốc độ hay áp suất dòng khí dẫn đến tốc độ cháy các bon tăng. 4.2.2. Sự cháy của nhiên liệu lỏng Quá trình cháy của nhiên liệu lỏng (chủ yếu là các loại dầu) vừa là quá trình cháy dị thể (sự cháy các hạt rắn sinh ra khi phân huỷ nhiên liệu) vừa là quá trình cháy đồng thể (cháy hơi dầu). -66-
Để đốt cháy nhiên liệu lỏng cần phải tách nhiên liệu thành hạt nhỏ để tăng bề mặt tiếp xúc giữa nhiên liệu và không khí, quá trình đó đ−ợc gọi là quá trình biến bụi. Chất để biến bụi dầu gọi là chất biến bụi. Hiện nay ng−ời ta dùng chất biến bụi là không khí nén, hơi n−ớc và không khí áp suất cao. Khi chất biến bụi va chạm vào dòng nhiên liệu, động năng chất biến bụi giảm, độ giảm động năng ∆U0 của chất biến bụi một phần sinh công cơ học làm biến bụi nhiên liệu còn phần lớn năng l−ợng này biến thành nhiệt làm tăng nhiệt hàm của hỗn hợp. Phần động năng làm biến bụi nhiên liệu ( ∆U) phụ thuộc vào tỉ số giữa khối l−ợng riêng của chất biến bụi (ρ2) và khối l−ợng riêng của nhiên liệu (ρ1). Nếu bỏ qua tác động của độ nhớt thì tỉ số giữa ∆U và ∆U0 có thể tính gần đúng: ∆U ρ ≈ 2 ∆U0 ρ1 Nếu khối l−ợng riêng của nhiên liệu không đổi thì khối l−ợng riêng của chất biến bụi càng lớn thì tỉ số này càng lớn và hiệu quả biến bụi càng cao. Nếu gọi ∆E là năng l−ợng cần thiết để phá vở bề mặt tự do giọt nhiên liệu thì ∆E = ∆U, do đó xác định đ−ợc đ−ờng kính của các hạt bụi dầu: 12.σ 1+ ϕ d = . 2 ϕ []ω2 ()1+ E u − ω1 .ρ2 12.σ 1+ ϕ Hay: d = 2 . [m] (4.17) ()∆ω .ρ2 ϕ Trong đó: σ - hệ số sức căng bề mặt của nhiên liệu [N/m2]. G 2 ϕ = - suất tiêu hao đơn vị của chất biến bụi (G1 và G2 là l−u l−ợng nhiên liệu G1 và chất biến bụi) [kg/kg]. ∆ω = ω2 (1+ E u )− ω1 . Kích th−ớc hạt dầu sau khi biến bụi dao động trong khoảng 0,05 - 0,5 mm. Quá trình cháy của các hạt bụi dầu xẩy ra theo các giai đoạn sau: - Hoà trộn giữa bụi dầu và không khí. - Hỗn hợp đ−ợc sấy nóng và bụi dầu bốc hơi. - Phân huỷ các hợp chất cacbua hyđrô. -67-
- Xẩy ra các phản ứng cháy. Trên thực tế các giai đoạn trên có quan hệ mật thiết với nhau và không tách rời nhau. 3 2 1 Hình 4.1 Quá trình cháy bụi dầu 1) Hạt dầu 2) Vùng hơi dầu 3) Vùng xẩy ra các phản ứng cháy Xét các yếu tố ảnh h−ởng tới sự cháy của nhiên liệu lỏng ta nhận thấy, nếu kích th−ớc hạt dầu càng nhỏ và quá trình trao đổi nhiệt giữa môi tr−ờng với hỗn hợp chất biến bụi và nhiên liệu tốt thì hỗn hợp đ−ợc sấy nóng nhanh, dầu bốc hơi tốt và quá trình cháy xẩy ra nhanh. Quá trình cháy còn phụ thuộc vào sự khuếch tán của oxy vào vùng cháy và sự khuếch tán của sản phẩm cháy ra khỏi vùng này nên sự xáo trộn hỗn hợp tốt cũng làm cho quá trình cháy xẩy ra nhanh hơn. 4.2.3. Sự cháy của nhiên liệu khí Quá trình cháy của nhiên liệu khí là quá trình cháy đồng thể giữa khí cháy và oxy của không khí. Quá trình cháy của nhiên liệu khí có thể chia ra: + Giai đoạn hoà trộn nhiên liệu và không khí tạo thành hỗn hợp cháy. + Giai đoạn cháy của hỗn hợp cháy. Tốc độ và chất l−ợng cháy của nhiên liệu khí, nhiệt độ và chiều dài của ngọn lửa trên thực tế chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ và chất l−ợng của quá trình hoà trộn. Nguyên nhân tạo thành hỗn hợp là do sự khuếch tán của các phân tử khí do chênh lệch nồng độ (khuếch tán phân tử) hoặc do sự va đập của các dòng khí chuyển động (khuếch tán xáo trộn). Khi sự hòa trộn xẩy ra càng tốt thì quá trình cháy xẩy ra càng nhanh, cháy càng hoàn toàn, chiều dài ngọn lửa ngắn hơn và nhiệt độ ngọn lửa cũng cao hơn. Một yếu tố quan trọng khác ảnh h−ởng tới sự cháy của nhiên liệu khí và nhiệt độ ngọn lửa là tỉ lệ giữa không khí và khí đốt trong hỗn hợp. Nếu l−ợng không khí đ−a vào không đủ thì khí đốt cháy không hoàn toàn, nhiệt độ ngọn lửa thấp. Ng−ợc lại, nếu l−ợng không khí đ−a vào d−, nhiên liệu cháy hoàn toàn, tuy nhiên nhiệt độ ngọn lửa cũng không cao do tốn nhiệt nung không khí d−. -68-
4.2.4. Khái niệm cháy hoàn toàn, cháy không hoàn toàn và hệ số không khí d− a) Khái niệm cháy hoàn toàn và cháy không hoàn toàn Sự cháy của nhiên liệu thực chất là quá trình phản ứng hóa học giữa những thành phần có thể cháy của nhiên liệu với oxy: C + O2 = CO2 1 H + O = H O 2 2 2 2 S + O2 = SO2 Nếu những thành phần có thể cháy trong nhiên liệu đều tham gia phản ứng cháy và sản vật cháy tạo thành chỉ gồm những chất khí không thể cháy nh− đ−ợc nh− CO2, H2O, SO2 thì gọi là quá trình cháy hoàn toàn. Ng−ợc lại, trong quá trình cháy, một phần nhiên liệu không tham gia phản ứng hay trong sản vật cháy còn có cả những khí cháy đ−ợc nh− CO, H2 thì gọi là quá trình cháy không hoàn toàn. Dựa vào nguyên nhân gây ra cháy không hoàn toàn ng−ời ta chia ra: - Cháy không hoàn toàn hoá học: xẩy ra khi một phần những chất có thể cháy trong nhiên liệu tham gia phản ứng cháy, vì một điều kiện nào đó không thể cháy đ−ợc và bị cuốn ra ngoài theo sản vật cháy. Nguyên nhân gây ra cháy không hoàn toàn hóa học có thể là: + Cung cấp không khí không đủ. + Không khí và nhiên liệu hỗn hợp không tốt. + Phân hóa nhiệt. Trong các nguyên nhân trên, hai nguyên nhân đầu có thể hạn chế đ−ợc, nguyên nhân thứ ba không thể hạn chế đ−ợc, ví dụ phản ứng phân hoá của CO2: 2CO2 → 2CO + O2 Mức độ phân hóa của CO2 phụ thuộc áp suất riêng phần và nhiệt độ của khí. - Cháy không hoàn toàn cơ học: do nhiên liệu bị rơi vãi, rò rỉ trong quá trình đốt, làm cho một phần không thể tham gia phản ứng cháy. Cháy không hoàn toàn cơ học phụ thuộc nhiên liệu và thiết bị đốt, ví dụ than lọt qua mắt ghi, khí rò rỉ trên đ−ờng ống tr−ớc mỏ đốt -69-
b) Hệ số không khí d− Thông th−ờng khi đốt nhiên liệu, nếu l−ợng không khí sử dụng lấy đúng theo tỉ lệ các phản ứng hóa học thì gây ra cháy không hoàn toàn, do đó ng−ời ta th−ờng lấy d− so với yêu cầu lý thuyết. Để đánh giá mức độ d− không khí, ng−ời ta dùng khái niệm hệ số d− không khí xác định bằng công thức sau: L n = n (4.18) L 0 Trong đó: L0 - thể tích không khí cần thiết theo lý thuyết để đốt cháy hết một đơn vị khối l−ợng hay thể tích nhiên liệu [m3/kg hoặc m3/m3]. Ln - thể tích không khí đ−ợc sử dụng để đốt cháy một đơn vị khối l−ợng hay thể tích nhiên liệu[m3/kg hoặc m3/m3]. Hệ số không khí d− đ−ợc chọn căn cứ vào nhiên liệu, cấu tạo của thiết bị đốt, điều kiện vận hành. Bảng 4.4 cho giá trị hệ số không khí d− th−ờng dùng trong thực tế. Bảng 4.4 Hệ số không khí d− Nhiên liệu và kiểu thiết bị đốt Hệ số d− không khí, n Buồng đốt than đá thao tác thủ công 1,30 - 1,70 Buồng đốt than đá cơ khí hóa 1,20 - 1,40 Đốt than bụi 1,20 - 1,25 Đốt khí đốt, mỏ đốt không có ngọn lửa 1,03 - 1,05 Đốt khí đốt, mỏ đốt có ngọn lửa 1,10 - 1,15 4.3. Tính toán sự cháy của nhiên liệu Tính toán sự cháy của nhiên liệu nhằm mục đích xác định l−ợng không khí cần thiết để đốt cháy nhiên liệu, l−ợng sản vật cháy, thành phần, khối l−ợng riêng của sản vật cháy và nhiệt độ cháy. Để tính toán ng−ời ta dựa vào các giả thiết sau: - Các chất khí đ−ợc coi là khí lý t−ởng. - Không tính đến thể tích sản vật cháy do phân hóa nhiệt. - Thể tích khí đều đổi về điều kiện tiêu chuẩn. - Trong không khí chỉ chứa oxy và nitơ với tỉ lệ thể tích: 21% O2 và 79%N2. -70-
4.3.1. Tính toán sự cháy của nhiên liệu rắn và lỏng Để dơn giản trong tính toán, mọi tính toán đ−ợc tiến hành với 100 kg nhiên liệu. a) Tính l−ợng không khí lý thuyết cần dùng để đốt nhiên liệu : - Chuyển đổi thành phần nhiên liệu về thành phần thông dụng: Cd + Hd + Od + Nd + Sd +Ad + Wd = 100 % - Tính số kmol các chất có trong 100 kg nhiên liệu: C d Hd Od N d S d Wd ; ; ; ; và (kmol) 12 2 32 28 32 18 Riêng thành phần tro (A) không tham gia phản ứng cháy và không biến thành khí lò nên không tính đến. - Dựa vào ph−ơng trình phản ứng cháy của các chất, tính l−ợng oxy cần để đốt cháy nhiên liệu: C d Hd S d N' = + + (kmol) O2 12 4 32 Od Do trong nhiên liệu đã có kmol oxy nên l−ợng oxy cần cung cấp: 32 C d Hd S d Od N = + + − (kmol) (4.19) O2 12 4 32 32 Vậy thể tích oxy cần cung cấp để đốt cháy 100 kg nhiên liệu là: ⎛ C d Hd S d Od ⎞ V = ⎜ + + − ⎟.22,4 (m3) (4.20) O2 ⎜ ⎟ ⎝ 12 4 32 32 ⎠ L−ợng nitơ đ−a vào theo không khí tính theo kmol là: 79 ⎛ C d Hd S d Od ⎞ N = ⎜ + + − ⎟ (kmol) (4.21) N2 ⎜ ⎟ 21⎝ 12 4 32 32 ⎠ ⎛ C d Hd S d Od ⎞ N = 3,762.⎜ + + − ⎟ (kmol) (4.22) N2 ⎜ ⎟ ⎝ 12 4 32 32 ⎠ L−ợng nitơ đ−a vào theo không khí tính theo thể tích là: ⎛ C d Hd S d Od ⎞ V = 3,762.⎜ + + − ⎟.22,4 (4.23) O2 ⎜ ⎟ ⎝ 12 4 32 32 ⎠ Vậy thể tích không khí cần cung cấp để đốt cháy 100 kg nhiên liệu là: -71-
⎛ C d Hd S d Od ⎞ V = V + V = 4,762.⎜ + + − ⎟.22,4 (4.24) kk O2 N2 ⎜ ⎟ ⎝ 12 4 32 32 ⎠ b) Tính l−ợng sản vật cháy lý thuyết: L−ợng sản vật cháy lý thuyết gồm hai phần: + L−ợng sản vật cháy do nhiên liệu cháy sinh ra: ⎛ C d Hd S d N d Wd ⎞ nl ⎜ ⎟ NSVC = ⎜ + + + + ⎟ (kmol) (4.25) ⎝ 12 2 32 32 18 ⎠ + L−ợng khí do không khí mang vào: ⎛ C d Hd S d Od ⎞ N kk = V = 3,762.⎜ + + − ⎟ (kmol) (4.26) svc N2 ⎜ ⎟ ⎝ 12 4 32 32 ⎠ Vậy l−ợng sản vật cháy tổng cộng khi đốt 100 kg nhiên liệu là: ⎛ C d Hd S d N d Wd ⎞ ⎛ C d Hd S d Od ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ NSVC = ⎜ + + + + ⎟ + 3,762.⎜ + + − ⎟ (kmol) (4.27) ⎝ 12 2 32 32 18 ⎠ ⎝ 12 4 32 32 ⎠ ⎡⎛ C d H d S d N d W d ⎞ ⎛ C d H d S d Od ⎞⎤ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 3 VSVC = ⎢⎜ + + + + ⎟ + 3,762.⎜ + + − ⎟⎥.22,4 (m ) ⎣⎢⎝ 12 2 32 32 18 ⎠ ⎝ 12 4 32 32 ⎠⎦⎥ (4.28) c) Tính l−ợng không khí và sản vật cháy lý thuyết và thực tế khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu: - Từ công thức (4.24) tính đ−ợc l−ợng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1 kg nhiên liệu: ⎛ C d Hd S d Od ⎞ 22,4 ⎜ ⎟ 3 L0 = 4,762.⎜ + + − ⎟. [m /kg] (4.29) ⎝ 12 4 32 32 ⎠ 100 - Từ công thức (4.28) tính đ−ợc l−ợng sản vật cháy lý thuyết khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu: ⎡⎛ C d Hd S d N d Wd ⎞ ⎛ C d Hd S d Od ⎞⎤ 22,4 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 3 V0 = ⎢⎜ + + + + ⎟ + 3,762.⎜ + + − ⎟⎥. [m /kg] ⎣⎢⎝ 12 2 32 32 18 ⎠ ⎝ 12 4 32 32 ⎠⎦⎥ 100 (4.30) - L−ợng không khí thực tế cần để đốt cháy 1 kg nhiên liệu: 3 L n = n.L0 [m /kg] (4.31) - L−ợng sản vật cháy thực tế sinh ra khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu: 3 Vn = V0 + (n −1)).L0 [m /kg] (4.32) -72-