Xem mẫu
- Chương 4
BUỒNG HỒI NHIỆT
Khí thải từ lò nung chứa một lượng nhiệt rất lớn. Ở một số lò nung như lò tuyn-nen,
lò vòng để nung gốm sứ, hoặc lò quay để nung clinker ximăng, nhiệt của khí thải từ zôn
nung được sử dụng để đốt nóng và sấy vật liệu trước khi chúng đi vào zôn nung. Vì vậy,
khí thải ra không khí có nhiệt độ thấp và hệ số sử dụng dung nhiệt của những lò này
tương đối cao. Ngược lại ở một số lò nung gián đoạn ( lò lửa đảo ) hay lò nấu thuỷ tinh,
nhiệt của khí thải nếu không được sử dụng thì không nhung tăng tiêu tốn nhiên liệu trên
một đơn vị sản phẩm ma con lang phi nhiệt.
4.1. Các phương pháp sử dụng nhiệt của khí thải.
Trong các lò nung hay nấu, nhiều trường hợp nhiên liệu cháy không đảm bảo
nhiệt độ cháy cần thiết, cho nên không khí phải được đốt nóng sơ bộ, đôi khi đốt nóng sơ
bộ cả không khí và nhiên liệu. Sử dụng nhiệt của của khí thải để đốt nóng sơ bộ không
khí và nhiên liệu cho phép ta đảm bảo yêu cầu kĩ thuật của lò đồng thời tiết kiệm được
nhiệt .
Nếu không sử dụng nhiệt của khí thải để đốt nóng không khí, nhiên liệu thì sử
dụng chúng để cung cấp cho nồi hơi. Muốn vậy người ta đặt nồi hơi trên đường đi của
khí tới ống khói, hơi nước sản xuất ra sẽ được dùng trong toàn bộ nhà máy hoặc bổ sung
vào nồi hơi chính của nhà máy.
Nếu nhiệt độ của khí thải ra tương đối thấp, có thể sử dụng chung để đun nóng
nước. Nước nóng rất cần thiết cho sinh hoạt và sưởi ấm trong mùa đông mà còn cần thiết
cho sản xuất. Ví dụ phối liệu gốm trộn bằng nước nóng sẽ tăng độ dẻo và chóng khô khi sấy.
Trong những biện pháp trên, thì biện pháp sử dụng nhiệt khí thải để đốt nóng
không khí và nhiên liệu khí trước khi cháy trong lò là biện pháp tốt nhất, có ý nghĩa lớn
nhất. Vì vậy trong công nghiệp, bên cạnh lò nung thường có buồng hồi nhiệt liên tục
(Recupertor) hay buồng hồi nhiệt gián đoạn (Regenerator), trong đó không khí và nhiên
liệu khí được đốt nóng sơ bộ trước khi vào lò.
4.2.Buồng hồi nhiệt liên tục.
4.2.1 Trao đổi nhiệt trong buồng.
Buồng hồi nhiệt thường làm việc theo sơ đồ hình 5-1. Khí thải từ lò nung đi theo
các đường kênh dẫn 2của buồng hồi nhiệt. Không khí sẽ đi nguợc chiều và đi bên ngoài
của kênh dẫn 2. Trong buồng này, khí thải sẽ truyền nhiệt cho không khí. Không khí sẽ
đi vào lò hoặc vào buồng đốt để cháy nhiên liệu. Khí thải bị nguội dần khi đi trong
buồng, cuối cùng theo kênh 3 ra ngoài theo ống khói.
(hình vẽ trang sau)
Trong buồng liên tục, không khí và khí thải có thể đi cùng chiều, ngang chiều hay
ngược chiều. Cũng như những thiết bị trao đổi nhiệt khác, nếu đi cùng chiều thì không
khí không thể đốt nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ khí thải lúc đi vào buồng. Chỉ khi
đi ngược chiều thì điều đó có thể thực hiện được.
(Xem sơ đồ hình 4-2)
Nhiệt độ thành ống (hay kênh) có thể lấy bằng trung bình nhiệt độ khí thải và
không khí. Trong trường hợp đi ngược chiều, rõ ràng nhiệt độ cực đại của thành ống sẽ
cao hơn nhiều. Vì vậy để xây dựng buồng hồi nhiệt cần phải dùng vật liệu bền vững.
Nếu làm việc cùng chiều, chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài của kênh ống sẽ khá cao.
108
- Trong điều kiện đó ống gốm (ống chịu lửa hay bằng gạch chịu lửa) sẽ không chịu nổi, vì
độ bền nhiệt của chúng thấp, ngược lại buồng hồi nhiệt kim loại có thể làm việc tốt được.
Tất nhiên buồng hồi nhiệt kim loại làm việc cùng chiều có thể đốt nóng không khí đến
nhiệt độ thấp mà thôi.
Khi khí thải và không khí đi ngang chiều do hoàn cảnh sắp đặt thiết bị, chênh lệch
nhiệt độ giữa khí thải và không khí không giống nhau mà chúng phụ thuộc vào vị trí
khảo sát.
Nhiên liệu
Lò nung
1
Khí thải
Không khí nóng
2
Không khí lạnh
3
Hình 4-1 buồng hồi nhiệt liên tục
Hình 4-2 :sơ đồ biến thiên nhiệt độ của khí và không khí
a) cùng chiều b) ngược chiều
kt
kt
kk
kk
Đặc điểm trao đổi nhiệt trong buồng liên tục là trao đổi nhiệt qua thành ống kênh.
Chế độ trao đổi nhiệt trong buồng tương đối ổn định và liên tục. Nếu các thông số của
khói lò thay đổi không đáng kể thì nhiệt độ của không khí vào lò để cháy nhiên liệu coi
như không đổi. Vì vậy chế độ nhiệt trong lò nung coi như ổn định.
109
- 4.2.2 Cấu tạo buồng hồi nhiệt gốm.
Để xây dựng buồng hồi nhiệt gốm người ta sử dụng vật liệu chịu lửa là gốm
Samốt, Cacborun và cao alumin. Nhiệt độ cho phép cực đại ở tường gạch Samôt là
1400oC, gạch Cacborun và cao alumin là 1500oC, nhiệt độ không khí được đốt nóng đến
800-1000oC. Ở khu vực nhiệt độ không khí trên 900oC ( nhiệt độ khí trên 1300oC) phải
xây dựng vật liệu Cacborun và cao alumin.
Buồng gốm thường được xây bằng gạch ống dị hình có tiết diện ngang là vuông,
lục lăng hay bát giác. Đôi khi được xây dựng bằng gạch thông có 2 hoặc 4 lỗ thông. Vì
những viên gạch này có thể quá dài, cho nên người ta xây ghép chúng lại thành kênh
hoặc ống dài, trong đó khí chuyển động.
Những viên gạch này khi đốt nóng nó có thể giãn nở và chuyển dịch hoặc nâng đội
lên.
Khi làm nguội chúng co lại và chiếm vị trí ban đầu. Nhưng những viên gạch bị chuyển
dịch khi đốt nóng thì khi nguội chúng không quay lại vị trí như củ. Tiếp tục đốt nóng lần
thứ hai, khe hở đó không kín lại mà có thể mở rộng thêm. Vì vậy khi xây buồng liên tục
bằng gốm cần phải tránh những mạch thẳng góc. Những viên gạch xây buồng này cần
phải có góc định vị, tại khớp này dùng vữa đặc biẹt để xây kín. Hiẹn nay người ta thường
dùng vữa Samốt Bôxit có pha lẫn thuỷ tinh lỏng. Vữa này đảm bảo kín, chắc khi làm
viêc ở nhiệt độ cao. Sơ đồ kết cấu của buồng gốm thô trong hình 4-3.
Gạch ống được định vị bởi những tấm gạch dị hình để tại thành kênh thẳng đứng.
Với kênh ngang bề mặt riêng của buồng gốm có thể đạt 6-12 m2/m3 buồng. Ở buồng
gốm khí thải chuyển động ngựoc chiều với không khí, cho nên nhiệt độ cực đại của
tường ống và lổ khí thải vào (không khí ra ) thông thường.
110
- Bảng 4.1 Đặc tính của gạch xây buồng hồi nhiệt liên tục.
Các chỉ tiêu Kiểu gạch ống
Ống vuông Ống bát giác I Ống bát giác II
Kích thước của gạch ống, m 0,33 0.42 0,331
Cao 0,24 0,305 0,305
Dài 0,24 0.304 0,304
Rộng 0,24 0,015 0,015
Chiều dài của ống
Bề mặt đốt nóng của 1 viên, m2 0,168 0,139 0,107
Phía khói lò 0,224 0,163 0,123
Phía không khí
Lượng gạch cho 1 m2 buồng 17,37 19,3 19,3
Phía khói lò 11,9 7,84 9,94
Phía không khí
Tiết diện ngang cho 1 viên gạch 0,0144 0,0097
ống,m2 0,0232 0,225/0,0275 0,0438/0,02
Phía khói lò
Phía không khí 0,12 0,11
Đường kính thuỷ lực của kênh , m 0,126 0,225/0,116 0,205/0,119
Phía khói lò
Phía không khí
Diện tích tiết diện kênh trong 0,25 0,19 0,19
buồng, m2 0,276 0,458 0,436
Phía khói lò 49,6 51,3 55,1
Phía không khí
Lượng gạch cho 1 m3 buồng 8,33 7,14 5,9
Bề mặt đất nâng cho 1m3 11,11 8,36 6,87
buồng,m2/m3
Phía khói lò
Phía không khí
Buồng không kín không khí lọt sang phía khói lò với một lượng 20-40% lượgn
khí thải ban dầu. Để giảm lượng không khí lọt sang phía khói lò cần phải giảm áp suất
của không khí, muốn vậy người ta hút không khí qua buồng hồi nhiệt bằng vòi phun
(injector). Kết quả không khí cũng như khói lò đều có áp suất âm và chênh lệch áp suất
giữa không khí và khói lò là rất nhỏ. Để tránh hở gạch khi đốt nóng, phía trên buồng
người ta dùng cát để lấp khe. Do đó gạch nở hay co vẫn đảm bảo kín. Kích thước và đặc
tính buồng gốm cho trong bảng 4-1.
4.2.3 Buồng hồi nhiệt kim loại.
111
- Buồng hồi nhiệt kim loại thường chế tạo bằng thép hoặc bằng gang. Với mục đích
nâng cao độ chiu nhiệt của chúng, người ta sử dụng những hợp kim đặc biệt: Thép
Crôm, thép Crôm-Niken, thép chứa Silic, gang chứa Crôm, Silic(Silal). Đôi khi trên bề
mặt người ta phủ nhũ Al để giảm độ oxy hoá. Nhiệt độ cho phép cực đại ở thành ống
gang xám 4000C, gang chịu nhiệt 600-11000C. Độ chiu nhiệt phụ thuộc vào hàm lượng
Crôm trong hợp kim. Khi chứa 1,5; 5; 10; 18; 25% Crôm ứng với nhiẹt độ cực đại cho
phép là 600, 700, 750, 900, 1100 0C. Thép Crôm –Niken không thể dùng được khi chứa
hợp chất của S.
Trong loại buồng kim loại, phổ biến nhất là các ống gang có kim loại ở một hoặc
hai phía (xem hình 4-6). Các ống này được ghép lại thành từng ngăn (xem hình 4-5c).
Những kim loại này làm tăng hệ số cấp nhiệt so với loại không có kim. Muốn đốt nóng
không khí đến 2000C, có thể sử dụng gang xám, khi đó nhiệt độ khói lò không được vượt
quá 8000C. Sử dụng gang chịu nhiệt có thể đốt nóng không khí đến 400-5000C. Nếu khói
lò quá bẩn (nhiều bụi), hoặc nhiệt độ cao hơn có thể dùng ống không có kim phía khói
lò. Đặc tính của buồng kim loại xem trong bảng (4-2) và kích thước của các ống gang và
kim loại cho trong bảng (4-3).
Kiểu buồng
Chỉ tiêu
Thường Ống kim Ống khói Ống bạc Tấ m
Kết cấu Một hai Có kim trong Ống nhẵn một Một hoặc Nhiều tấm
hoặc hoặc hai phía. khối hai ống
nhiều ống Một, hai hoặc
nhiều ống
Vật liệu Thép Gang Ống thép mặt Thép Thép
gang
Chiều Khác nhau Không khí đi Không khí đi Thẳng góc Khác nhau
hứng khí ngang , khí đi ngang, khói lò
thẳng góc thẳng góc
Tốc độ 5-10 5-8 8-12 10-30 3-10
không khí
(m/s)
Tốc độ 2-5 0,5-2,5 1-3 0,5-1,5 0,5-3
khói lò
Hệ số cấp 11-23 45-135 (kim) 17-23 28-45 23-17
nhiệt 17-34(không)
112
- Khói lò thường đi ngoài ống, không khí đi trong ống khi sử dụng ống gang thì
không khí và khói lò đi cùng chiều, vì ống gang tương đối dày cho nên chênh lệch nhiệt
độ lớn sẽ gây nên ứng xuất và nứt ống.
Loại bằng thép thường là những ống, hiếm khi người ta dùng dạng tấm, nhiệt độ
đốt nóng không khí 250-3500C nếu sử dụng ống thép chịu nhiệt 600-7000C. Để ngăn
ngừa các ống khỏi cong venh khi thay đổi nhiệt độ, người ta phai chế tạo thế nào để có
thể dãn nở tự do được. Ví dụ người ta lắp ống thành hình chữ U trong hình 4-5a.
Ở loại ống khói (termoblok) không khí chuyển động trong ống thép đường kính
12-19mm, khói lò đi trong kênh hình chữ nhật và đi bên ngoài ống thép. Người ta cũng
có thể cho khói lò đi trong ống kích thước lớn. Các khối này có thể xếp lại thành ngăn
phụ thuộc vào nhiệt độ đốt nóng không khí. Loại khối nhỏ, người ta đúc liền chứ không
phải hàn ống như loại lớn. Làm bằng thép có thể làm việc theo nguyên tắc cùng chiều.
Chiều dài các ống gang kim, không có kim bên ngoài và ống thép đều tương tự loại
ống 17,5 cho trong bảng 4-3 chúng khác nhau ở tiết diện ngang để không khí và khói lò
chuyển động.
Bảng 4.3 Đặc tính ống gang kim kiểu 17,5
113
- Các chỉ tiêu Kích thước cơ bản
Chiều dài ống (mm) 880 1135 1135 1640 2150
ống có kim bên ngoài
Bề mặt đốt nóng không kể kim (m2) 0.25 0.33 0.425 0.050 0.66
Tiết diện để không khí chuyển động
0.008 0.008 0.008 0.008 0.008
(m2)
Tiết diện để khói lò chuyển động (m2) 0.06 0.08 0.10 0.16 0.16
Lượng kim phía trong không khí 636 852 1068 1284 1716
Lượng kim phía khói lò 558 740 922 1118 1482
Trọng lượng ống (kg) 45 58 63 74 95
ống không có kim bên ngoài
Bề mặt đốt nóng không kể kim (m2) 0.25 0.33 0.425 0.50 0.66
Tiết diện để không khí chuyển động
0.008 0.008 0.008 0.008 0.008
(m2)
Tiết diện để khói lò chiển động (m2) 0.085 0.11 0.135 0.16 0.21
Lượng kim phía không khí 636 852 1068 1284 1716
Trọng lượng ống (kg) 31 38 45 53 67
Ngoài ra người ta còn dùng loại ống bọc (xem hình 4-5) ống trong ống. Theo ống
trong, khói lò chuyển động với tốc độ nhỏ, còn theo ống ngoài (ống bọc) không khi
chuyển động với tốc độ rất lớn. Nhiệt từ khói lò truyền cho không khí bằng đối lưu và
bức xạ qua vỏ ống trong. Không khí và khói lò có thể chuyển động cùng chiều hoặc
ngược chiều. Thông thường ta chế tạo từ lá thép dạng sóng để chúng có thể co dãn dễ.
Bề mặt riêng của loại ống 12-25, loại tấm 40-50, loại ông kim 20-30 m2/m3.
Khi nhiệt độ thành ống quá cao có thể dùng các biện pháp hạ nhiệt độ chúng: pha
thêm không khí lạnh vào khói lò, cho không khí và khói lò đi cùng chiều, tăng tốc độ
không khí. Trước buồng hồi nhiệt cần có phòng lắng bụi nhằm giảm bụi bám vào buồng
hồi nhiệt gây bẩn.
4.2.4. Tính toán buồng hồi nhiệt liên tục.
114
- Khi tính toán buồng hồi nhiệt người ta phải xác định bề mặt đốt nóng và nhiệt độ
khí thải lúc ra khỏi buồng theo các thông số của không khí vao, ra và khí thải lúc vào
buồng. Nếu kích thước buồng hồi nhiệt đã cho trước thì ta phải xác định nhiệt độ không
khí được đốt nóng và khí thải lúc ra.
Tốc độ không khí và khói lò phải được lựa chọn trên cơ sở kinh tế và kỹ thuật.
Nếu tốc độ không khí và khói lò nhỏ thỉ trao đổi nhiệt sẽ kém và cần bề mặt đốt nóng
lớn. Nếu tốc độ lớn thì tổn thất áp suất sẽ tăng lên, do đó cần quạt gió công suất cao. Cho
nên tốc độ khí nên lựa chon trong pham vi cho phép.
Vì buồng gốm có độ kín kém, không khí sẽ lọt sang phía khói lò, cho nên chênh
lệch áp suất giữa không khí và khói lò trong buồng đốt không được vượt quá 30-50N/m2.
Bề mặt đốt nóng của buồng hồi nhiêt xác định theo công thức:
Q
m2
F= (4-1)
k .∆t tb
Nhiệt độ khí thải lúc ra xác định theo phương trình cân bằng nhiệt sau:
ρ .V1k .c1k .t1k - V2k .c2k .t 2k = V2kk .c2kk .t 2kk - V1kk .c1kk .t1kk
(4-2)
Lượng nhiệt truyền qua không khí xác định theo công thức:
V1kk + V2kk kk kk
Q= (C2 t 2 − C1kk t1kk ) (4-3)
2
Trong đó:
K – hệ số truyền nhiệt.
∆ttb - chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa khí và không khí.
V1kk .c1kk .t1kk , V2kk .c2kk .t 2kk - Ứng với thể tích (m3 tiêu chuẩn) tỷ nhiệt (kj/m3.độ) và nhiệt độ
không khí (0C) vào và ra.
V1k .c1k .t1k , V2k .c2k .t 2k - Thể tích (m3 tiêu chuẩn) tỷ nhiệt và nhiệt độ vào ra.
ρ - Hệ số kể đến tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh (thường ρ = 0.9)
Sở dĩ có sự biến đổi V kk , V k trong buồng là vì khe hở nên không khischayj sang phía
khói lò. Nếu gọi Vl là thể tích không khí lọt sang phía khói lò thì:
V2kk = V1kk − V l (4-4)
V2k = V1k − V l (4-5)
Nếu buồng đảm bảo kín thì: V1kk = V2kk = V kk ; V 1 = V2k . (4-6)
k
Hệ số truyền nhiệt K xác định tùy theo cấu trúc của buồng hoặc dùng công thức truyền
nhiệt qua tường ống hoặc tường phẳng.
1
W/m2.độ
K= (4-7)
δ1
1
++
α1 λ α 2
α 1 - Hệ số cấp nhiệt từ khí tới mặt ống W/m2.độ
α 2 - Hệ số cấp nhiệt từ măt ống tới không khí W/m2.độ
115
- δ - Chiều dày của gạch ống hay ống kim loại. λ - Độ dẫn niệt của chúng W/m.độ
δ
Với ống kim loại trị số rất nhỏ, có thể bỏ qua và hệ số K xác định bằng:
λ
α + α2
W/m2.độ
K= 1
α 1 .α 2
Trong mọi trường hợp α là tổng hệ số cấp nhiệt bằng đối lưu và bức xạ.
Hệ số truyền nhiệt của buồng gốm dao động (2,3- 8,1)w/m2.độ khi tốc độ không khí và
khói lò 0,5-2m/s. Hệ số truyền nhiệt của buồng kim loại cho trong bảng 5-2.Có thể tìm
hệ số cấp nhiệt của ống gang có kim trong hình 5-7. Hệ số cấp nhiệt có thể xác định bằng
các công thức ở chương 3.
Biểu đồ xác định hệ số cấp nhiệt của ống kim.
1.Tổng từ khói lò đến ống không có kim. 2.Tổng từ khói lò đến mặt ống kim (17,5)
3.Tổng từ ống kim đến không khí (17,5)
Khi tính toán buông gốm cần phải kiểm tra độ bền nhiệt của gạch. Đối với gạch
Samốt ta dùng công thức kiểm tra sau:
K(txk-txkk).δ≤9536 (4-8)
txk, txkk- Nhiệt độ khí và không khí ở điểm kiểm tra 0C.
δ-Chiều dày của tường, cm.
K-Hệ số truyền nhiệt ở điểm kiểm tra w/m2.độ.
Khi tính toán buồng kim loại cần phải kiểm tra nhiệt độ thành ống. Nếu buồng làm
việc cùng chiều thì kiểm tra ở chỗ khí thải vào ra. Nếu làm việc ngược chiều thì kiểm tra
ở chỗ khí thải vào.
Nhiệt độ bề mặt của ống xác định như sau:
Về phía khí thải:
k
ttk= tk α 1 (tk-tkk), 0C (4-9)
Về phía không khí:
K
Ttkk= tkk + (tk-tkk), 0C (4-10)
α2
116
- Nếu nhiệt độ vượt quá giới hạn cho phép thì tìm cách hạ nhiệt độ bằng cách tăng
cấp nhiệt từ tường tới không khí (tăng α2) hoặc giảm cấp nhiệt từ không khí tới tường
ống (giảm α1) hoặc pha không khí lạnh vào khí thải trước khi vào buồng (giảm tk) hoặc
cho chúng đi cùng chiều.
Khi đã biết bề mặt đốt nóng cần thiết F (m2) có thể xác định được số ống cần có
để xây lắp theo tiêu chuẩn ở bảng 4-1 và 4-3.
Sức cản thủy lực của ống kim và ống khói (termobok) hkk về phía không khí xác
định theo biểu đồ hoặc bằng công thức sau:
hkk= A wo2(1 + β.ttb) N/m2 (4-11)
Hệ số phụ thuộc vào chiều dài của ống.
Chiều dài ống 880 1135 1385 1640
Trị số A 2,06 2,4 2,74 3,09
w0- Tốc độ không khí trong ống, m/s ( tính theo điều kiện chuẩn)
ttb- Nhiệt độ trung bình của không khí trong ống,0C
β- Hệ số 1/273.
Nếu hai ống nối nhau thì sức cản thủy lực sẽ tăng gấp đôi. Cho nên xếp ống thành
bao nhiêu ngăn, sức cản sẽ tăng bấy nhiêu lần. Nếu kể cả sức cản của ống nối ngăn để
không khí đi từ ngăn nọ sang ngăn kia thì tổng sức cản sẽ tăng lên 50 đến 100% sức cản
của ống.
Về phía khói lò, sức cản xác định theo công thức:
hk= 6.(n + m)W02.T.10-4 N/m2 (4-12)
Nếu mặt ngoài của ống không có kim thì:
Hk = 1,57.(n + m) W02.T.10-4 N/m2 (4-13)
Trong đó:
n- Số ống theo chiều chuyển động của khói lò.
m- Số ngăn theo chiều chuyển động của khói lò.
T- Nhiệt độ trung bình của khói lò,0K.
W0-Tốc độ khia ở điều kiện chuẩn, m/s.
4.3.Buồng thu hồi nhiệt gián đoạn.
4.3.1Trao đổi nhiệt trong buồng.
117
- Để tìm hiểu nguyên tắc làm việc của buồng thu hồi nhiệt gián đoạn, chúng ta hãy
khảo sát sơ đồ làm việc của lò bể nấu thuỷ tinh cho trong hình 4-8 khí thải từ bể nấu 1 đi
vào buồng không khí 2 và đốt nóng nhiên liệu khí 3, sau đó theo ống 4 và 5 qua van đối
chiếu 6 và 7 cuối cùng theo ống 10 đi ra ống khói. Khi khí đi qua buồng 2 và 3 khí thải
sẽ cung cấp nhiệt cho gạch đệm ở trong buồng (xem hình 4-8) gạch đệm được đốt nóng
đến nhiệt độ khá cao, và đến lúc nào đó thì người ta dừng lại và đổi chiều. Không khí sẽ
qua ống 9 van đổi chiều 7 qua đường ống 11 vào buồng 13 và đi vào lò 1 để đốt cháy
nhiên liệu. Nhiên liệu khí đi vào bằng ống 8 qua van đổi chiều 6 theo ống 12 vào buồng
14 và vào lò 1.
Khi đổi chiều, nhiên liệu khí đi theo ống 9 qua đổi chiều 7 theo ống 5 vào buồng
3 và cuối cùng vào lò không khí qua ống 8 và van đổi chiều 6, theo ống 4 vào buồng 2
rồi vào lò nung 1. Khi qua buồng 2 và 3 không khí và nhiên liệu khí được đốt nóng lên,
gạch đệm trong buồng nguội đi. Do đó ngọn lửa trong lò 1 sẽ có nhiệt độ cao.
Khí thải sẽ đi tương tự qua buồng 13, 14 và van đổi chiều 6, 7 và theo đường ống 10
ra ngoài ống khói. Khi ra khỏi buồng 13, 14 thì gạch đệm trong buồng lại được đốt nóng
lên. Sau một đoạn thời gian nhất định người ta lại đổi chiều và đường đi của khí với
không khí sẽ lặp như cũ.
Xét quá trình làm việc của buồng như vậy ta thấy rõ ràng là: buồng không làm
việc liên tục mà làm việc gioán đoạn tuần hoàn, chế độ nhiệt độ trong buồng không ổn
định mà thay đổi theo thời gian và chu trình, trao đổi nhiệt ở đây khác hoàn toàn với
buồng liên tục mà là trao đổi nhiệt bằng đệm.
118
- Chúng ta hãy khảo sát sự biến đổi nhiệt độ của viên gạch đệm đặt trong buồng.
Đầu tiên gạch đệm được tích luỹ nhiệt trong giai đoạn đốt nóng. Đường phân bố nhiệt độ
theo tiết diện ngang của gạch là đường O phút (hình 4-9). Khi đổi chiều sang giai đoạn
làm nguội, ở phút đầu tiên, nhiệt độ bề mặt hạ đi tương đối nhanh. Cách bề mặt một
đoạn, nhiệt cao hơn cả trung tâm gạch và cả bề mặt gạch. Cho nên nhiệt sẽ truyền từ mặt
nó ra bề mặt và vào trung tâm gạch. Chênh lệch nhiệt độ ngày càng giảm theo thời gian.
Sau đó nhiệt độ trung tâm cao hơn bề mặt và chỉ có dòng nhiệt truyền từ trung tâm ra bề
mặt. Đường phân bố nhiệt độ theo chiều dày của gạch ứng với thời gian khác nhau cho
trong hình 4-9a và sự biến thiên nhiệt độ bề mặt của gạch đệm qua cá giai đoạn đốt nóng
và làm nguội cho trong hình 4-b
Hình 4-9. Biến đổi nhiệt theo thời gian.
a. Theo chiều dày gạch đệm. b. Theo bề mặt gạch đệm
Qua sự phân tích ở trên chúng ta thấy rằng: nếu chiều dày gạch đệm quá lớn thì
một phần của gạch đệm ở khu trung tâm sẽ không tham dự hoặc ít tham dự trao đổi
nhiệt.
Ngược lại, nếu chiều dày quá mỏng thì nhiệt độ trung bình của gạch đệm sẽ dao
động quá nhiều, tức nhiệt độ của khí và không khí dao động quá nhiều. Sự biến đổi nhiệt
độ ở đầu giai đoạn đốt nóng và đầu giai đoạn làm nguội thưòng nhanh hơn ở cuối giai
119
- đoạn. Cấp nhiệt từ khí thải tới đệm và từ đệm tới không khí, nhiên liệu khí phụ thuộc vào
điều kiện trao đổi nhiệt bằng bức xạ và đối lưu. Việc xếp gạch đệm như thế nào để tăng
độ xoáy của dòng, tăng chiều dày lớp khí đều dẫn đến tăng cấp nhiệt bằng đối lưu và bức
xạ. Cho nên nếu giảm khoảng cách các viên gạch đệm trong buồng, tốc độ khí sẽ tăng
lên và cấp nhiệt bằng đối lưu tăng lên. Song giảm khoảng cách tức là giảm chiều dày bức
xạ của khí, tức giảm cấp nhiệt bằng bức xạ. Vì khoảng cách vừa phải giữa các cạnh đệm
trong buồng hồi nhiệt kiểu đứng 60-200mm trong buồng kiểu nằm 100-200mm.
4.3.2 Cấu tạo buồng hồi nhiệt.
Tuỳ thuộc vào chiều hướng chuyển động của khí, người ta phân biệt buồng hồi
nhiệt kiểu đứng và kiểu nằm ngang (xem hình), tuy nhiên trong công nghiệp thường
dùng kiểu đứng. Cấu tạo của buồng đứng để đốt nóng không khí và nhiên liệu cho trong
hình 4-7 ở mỗi buồng, phía trên có vòm, khí thải sẽ qua các khe phân phối để vào đệm
trong buồng. Phía dưới của buồng cũng có cống, vòm trên của cống có các khe để phân
bố khí thải lúc ra hoặc không khí lúc vào buồng. Trên cống này người ta xếp các gạch.
Vật liệu làm đệm thường dùng nhất là Samốt. Ở chỗ chịu tác dụng của nhiệt độ
cao trên1300-14000C hoặc có bụi ăn mòn (phối liệu thuỷ tinh) thì phải dùng gạch
manhedi bền nhiệt hoặc gạch mulít, cao alumin. Thời hạn đốt nóng đệm thường bằng
thời gian làm nguội đệm và bằng 30 phút. Đối với lò nồi nấu thuỷ tinh thời gian này
thường 15-20 phút. Trong điều kiện đó chiều dày của gạch đệm 65-80mm (35-40mm
cũng đủ trao đổi nhiệt). Nếu tăng chiều dày gạch đệm lên nữa thì chiều cao của buồng
hồi nhiệt sẽ tăng lên.
120
- Kích thước gạch đệm thường dùng 400x130x65 và 500x50x75 đôi khi dùng gạch
chuẩn. Khoảng cách giữa các viên gạch 70-150mm. Tiết diện hay thể tích tự do (không
chiếm chỗ bởi gạch) khoảng 50-70% thường bằng 55-60%. Người ta cũng nghĩ đến việc
sử dụng gạch gạch dị hình nhằm tăng bề mặt truyền nhiệt, giảm độ bám bẩn của khí đối
với gạch và tăng điều kiện trao đổi nhiệt.
Loại buồng hồi nhiệt kiểu nằm ngang hay dùng gạch có kích thước 300x150x80
và 350x150x65mm, kích thước kênh dẫn khí trong buồng 150x220mm.
Gạch đệm được xếp trong buồng theo nhiều kiểu khác nhau (xem hình 4-10). Yêu
cầu cơ bản của gạch đệm là bền vững, bề mặt đốt nóng cao, tạo được dòng khí xoáy.
Kiểu Kauper ở hình 4-10, gạch đệm tạo ra những kênh thẳng và đặc, bề mặt trao đổi
nhiệt kém hơn loại 5-11. Kiểu 5-13 cũng tạo ra kênh thẳng từ trên xuống còn kiểu 5-14
cũng xếp tương tự nhưng có gạch chắn ngăn kênh thẳng đó. Như vậy kiểu có bề mặt
121
- truyền nhiệt lớn hơn, chỉ có một số lớp trên bị bám bẩn (không phải thay toàn bộ) và lớp
xếp bền vững hơn. Ngoài ra vích gạch đệm chắn ngang kênh dẫn cho nên chiều huớng
và tốc độ của khí bị thay đổi và hệ số truyền nhiệt tăng lên.
Đặc tính của đệm buồng hồi nhiệt cho trong bảng 4-4.
Ở những lò nhỏ, phần gạch của đệm và tường lò tham dự trao đổi nhiệt tương đối
cao, do đó việc sử dụng gạch đệm tốt hơn. Nếu tăng chiều cao của buồng hồi nhiệt thì sự
phân bố khí tốt hơn, tăng được áp suất hình học. Trong nồi nấu thuỷ tinh, chiều cao của
buồng hồi nhiệt gián đoạn kiểu đứng thường 2-3m, của lò bể nấu thuỷ tinh từ 4-7m.
Ngược lại nếu dùng buồng kiểu nằm thì không.
nên có chiều cao lớn để tránh sự phân bố khí không đều theo chiều cao. Người ta xếp
gạch thành các kênh ngang, đặt và những kênh này không thông với nhau.
122
- Khí thải từ lò ra thường theo đường kênh riêng đi vào buồng hồi nhiệt. Nếu khí
chứa nhiều bụi hoặc mang theo phối liệu nấu trong lò, thì phải có buồng lắng bụi, để
giảm bụi bay vào buồng hồi nhiệt.
3.3 Tính toán buồng hồi nhiệt gián đoạn.
3.3.1 Sự phân bố nhiệt độ trong buồng.
Nhiệt độ lúc khí đi vào kênh dẫn tới buồng hồi nhiệt thường cao hơn nhiệt độ
tường lò nấu khoảng 500C, do đó nhiệt độ khí thải thường bằng 13000C. Khi đi qua kênh
dẫn khí, nó hạ mất 100-2000C do truyền nhiệt cho thành kênh dẫn. Khí và không khí
được đốt nóng trong trong buồng đến 800-10000C. Nếu chỉ đốt nóng không khí thì có thể
đạt đến 900-11500C. Trên đường đi từ buồng đến lò nấu, nhiệt độ của nhiên liệu khí và
không khí tăng lên 50-1000C do đốt nóng phụ bởi kênh dẫn.
Nhiệt độ không khí và nhiên liệu khí lúc đi vào đệm, thường có nhiệt độ cao hơn
lúc vào van đổi chiều khoảng 50-750C do đốt nóng phụ ở kênh dẫn. Như vậy nhiệt độ
không khí và nhiên liệu khí sạch lúc vào đệm là 50-1000C. Nếu dùng khí không sạch với
nhiệt độ tk, thì lúc vào đệm nhiệt độ nhiên liệu khí sẽ bằng tk + (50 ÷ 100)0C.
Nhiệt độ khí thải lúc ra khỏi đệm khi đốt nóng cả không khí và nhiên liệu khí là
300-5000C, nếu chỉ đốt nóng không khí 450-6000C. Nếu là nhiên liệu khí không sạch thì
nhiệt độ khí thải lúc ra khỏi đệm của buồng khí sẽ cao hơn nhiệt độ nhiên liệu khí vào
buồng là 150-2500C trong kênh dẫn đến van đổi chiều nhiệt độ khói lò hạ đi 75-1000C.
3.3.2 Nhiệt độ khí thải lúc ra khỏi buồng.
Nhiệt độ của khí thải lúc ra khỏi buồng hồi nhiệt xác định bởi phương trình cân
bằng nhiệt của buồng hồi nhiệt:
Lượng nhiệt do không khí lấy đi:
Qkk = Vkk*c2kk*t2KK – Vkk*c1kk*t1kk = Vkk(c2kk*t2kk – c1kk*t1kk) Wat (4-14)
Lượng nhiệt do nhiên liệu khí lấy đi:
Qk = Vk*c2k*t2k – Vk*c1k*t1k = Vk(c2k*t2k – c1k*t1k) Wat (4-15)
Lượng nhiệt do khí thải mang vào hai buồng:
Qkt = V1kt*c1kt*t1kt (W) (4-16)
Lượng nhiệt do khí thải mang ra khỏi buồng:
Từ buồng không khí:
Qktkk = bkk*Vktkk*cktkk*tktkk (W) (4-17)
Từ buồng nhiên liệu khí:
123
- Qktk = ak*Vktk*cktk*tktk (W) (4-18)
Phương trình cân bằng nhiệt sữ là:
η *Qkt = Qk + Qkk + Qktk + Qktkk (4-19)
Trong đó:
Vkk; Vk - Thể tích không khí và nhiên liệu khí qua buồng hồi nhiệt m3/s (mét khối
chuẩn).
c1kk*t1kk; c2kk*t2kk - Tỷ nhiệt J/m2. độ, nhiệt độ 0C của không khí lúc vào và ra khỏi
buồng hồi nhiệt.
V1kt*c1kt*t1kt - Thể tích m3/s, tỷ nhiệt và nhiệt độ của khí thải vào buồng hồi nhiệt.
Vkkt*ckkt*tkkt - Thể tích m3/s, tỷ nhiệt và nhiệt độ khí thải lúc ra khỏi buồng đốt nóng
nhiên liệu.
Vkkkt*ckkkt*tkkkt - Thể tích m3/s, tỷ nhiệt và nhiệt độ khí thải đi ra khỏi buồng đốt nóng
không khí.
η - Hệ số kể đến tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh (lò lớn η = 0.9 − 0.95 , lò nhỏ
η = 0.85 − 0.9 ).
ak, bk - Hệ số kể đến lượng không khí lọt vào buồng khí và không khí. Với buồng tương
đối kín nếu bằng 1-1.5 với buồng hở nhiều (quá cũ) có thể tới 1.5 hoặc hơn.
Nếu nhiệt độ khí thải lúc ra khỏi buồng hồi nhiệt có nhiệt độ như nhau hoặc chỉ có một
buồng đốt nóng không khí, thì nhiệt độ khhí thải xác định trực tiếp bằng phương trình
cân bằng nhiệt… Thông thường, nhiệt độ khí thải lúc ra khỏi buồng đốt nóng nhiên liệu
khí sạch thấp hơn (đốt nóng nhiên liệu khí không sạch có thể cao hơn) nhiệt độ khí thải
lúc ra khỏi buồng không khí.
Khi đốt nóng, thành phần và nhiệt sinh của nhiên liệu chưa bị thay đổi do có
không khí lọt vào. Cũng có thể bỏ qua điều đó.
3.3.2 Phân bố khí thải.
Nếu có buồng đốt nóng và nhiên liệu khí phải xác định lượng khí thải đi vào mỗi
buồng. Cơ sở để xác định sự phân bố khí thải là:
1. Lượng nhiệt mà khí thải để lại trong buồng tỷ lệ với lượng nhiệt mà khí
hoặc không khí lấy đi.
2. Tổng thể tích khí thải đi vào hai buồng bằng thể tích tổng ban đầu.
Lượng nhiệt do khí thải để lại trong buồng không khí bằng:
Qkkkt = Vkkkt*c1kt*t1kt – bkk*Vkkkt*ckkkt*tkkkt = Vkkkt*(c1kt*t1kt – bkk*ckkkt*tkkkt) (4-20)
124
- Lượng nhiệt do khí thải để lại trong buồng nhiên liệu khí:
Qkkt = Vkkt*c1kt*t1kt – ak*Vkkt*ckkt*tkkt = Vkkt*(c1kt*t1kt – ak*ckkt*tkkt) (4-21)
Qkt Qk
= (4-22)
k
kt
Qkk Qkk
Thay trị số vào ta có:
Vkkt ( c1 * t1 − a k * c k * t k ) V k ( c k * t 2 − c1 * t1 )
kt kt kt kt k k k
2
= (4-23)
Vkk ( c1 * t1 − b kk * ckk * t kk ) V kk ( c kk * t kk − c1 * t1 )
kt kt kt kt kt kk kk
2 2
Vkkt+Vkkkt=V1kt (4-24)
Trong đó:
Qkkkt, Qkkt - Lượng nhiệt do khí thải để trong buồng không khí và khí, tính bằng W hay
(J/s).
Vkkkt, Vkkt - Thể tích khí thải qua buồng không khí và buồng khí.
C1kk, t1kk - Tỷ nhiệt và nhiệt độ khí thải lúc vào buồng (J/m3. độ).
Ckkkt, tkkkt - Tỷ nhiệt và nhiệt độ khí thải lúc ra khỏi buồng không khí.
Ckkt, tkkt - Tỷ nhiệt và nhiệt độ khí thải lúc ra khỏi buồng nhiên liệu khí.
Giải hệ phương trình (4-23 và 4-24) bậc nhất ta tìm đưoc hai ẩn số là Vkkkt và Vkkt. Trong
trường hợp này tỉ lệ nhiệt bề mặt đốt nóng đệm trong buồng không khí và nhiên liệu sẽ
không giống nhau.
V.N.Zimin đề nghị lấy tải trọng nhiệt của đệm ở hai buồng như nhau, điều đó sẽ
dẫn tới hạ nhiệt độ khí thả lúc ra khỏi buồng nhiên liệu vì trong khí có chứa CO2, H2O và
H2 nên điều kiện trao đổi nhiệt tốt hơn.
Nếu lấy hệ số truyền nhiệt của buồng không khí là Kkk à buồng khí là Kk thì điều
kiện cân bằng tải trọng nhiệt sẽ là:
( t1kk + t kt ) − ( t 2kk + t1kk )
Kk kk
= kt kt (4-25)
( t1 + t k ) − ( t 2kk + t1kk )
K kk
Trong đó, để đơn giản tính toán ta lấy trung bình nhiệt độ là trung bình số học.
Nếu phải tính toán sự cháy và phân huỷ một phần nhiên liệu khí hoặc cháy nốt khí
thải trong buồng hồi nhiệt do không khí lọt vào buồng, thì theo D.B.Ginzburg ta thay
phương trình 5-23 bằng phương trình sau:
η Q kt − Q k 2 + Q k
kt kt
Qk
= k kt (4-26)
k1
ηkk Qkk1 − Qkk 2 + Qkk
kt kt
Qkk
125
- ηk , ηkk Hệ số kể đến tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh của buồng khí và không
khí.
Qk1kt, Qk2kt - Lượng nhiệt do khí thải mang vào và mang ra khỏi buồng khí.
Qkk1kt, Qkk2kt - Lượng nhiệt do khí thải mang vào và mang ra ứng với buồng không khí.
Qkkt, Qkkkt - Lượng nhiệt toả ra do cháy nốt sản phẩm cháy ở buồng khí và không khí.
3.3.2 Xác định bề mặt đốt nóng.
Bề mặt đốt nóng của đệm được xác định bằng công thức chung:
Q t1
F= (4-27)
K∆t
Qtl - Lượng nhiệt tích luỹ bởi đệm trong giai đoạn đốt nóng và trao đổi trong giai đoạn
làm nguội.
∆t - Chênh lệch nhiệt độ trung bình.
Thường thời gian đốt nóng đệm bằng thời gian làm nguội để tổn thất nhiệt ra môi
trường xung quanh của hai giai đoạn cũng bằng nhau. Vì vậy ta có thể xác định lượng
nhiệt tích luỹ theo phương trình sau:
Ở buồng không khí:
Qkt − Qkk Qkt − Qkk
tt tt
Qkk = Qkk + = Qkk − kk (4-28)
kt
kk
tl
2 2
Ở buồng nhiên liệu khí:
Qkt − Qk Qkt − Qk
tt tt
Qk = Qk + = Qkt − k (4-29)
k
kl k
2 2
Hệ số truyền nhiệt K xác định theo toàn chu trình:
1⎛ δ 2 cp ⎞
1 1 1
= + + ⎜1 − (4-30)
⎟
K α1z α 2 z 3λz ⎝ 30λz ⎠
Trong đó:
K - Hệ số truyền nhiệt toàn chu trình w/m2. độ chu trình.
α1 - Hệ số cấp nhiệt từ khí thải tới đệm w/m2. độ.
Hệ số cấp nhiệt từ đệm tới không khí hoặc nhiên liệu khí giai đoạn làm nguội w/m2. độ.
α2
Z - Thời gian đốt nóng hoặc làm nguội đệm, h
δ - Chiều dày đượng lượng của gạch đệm, m
C - Tỷ nhiệt của gạch đệm ở nhiệt độ trung bình tại tiết diện cho, J/kg. độ.
P - Mật độ gạch đệm, kg/m3.
126
- ρ - Độ dẫn nhiệt của gạch đệm w/m. độ.
Hoặc có thể xác định bằng công thức sau:
1
w/m2. độ
K= (4-31)
1 1 r 3.6
+ + 4ϕ +
α1τd α1τ n λτ0 rρcb
Trong đó:
τd , τn - Thời gian đốt nóng và làm nguội đệm, h
τ0 - Thời gian toàn chu trình τ0 = τd + τn
r - Chiều dày phần gạch tham dự trao đổi nhiệt thường lấy bằng nữa chiều dày của gạch
0.0325m.
ϕ - Hệ số kể đến phần khối lượng gạch tham dự trao đổi nhiệt, khoảng bằng 1/4.
3
λ - Độ dẫn nhiệt của gạch đệm, kg/m .
b - Tỷ lệ chênh lệch nhiệt độ trong gạch khi đốt nóng và làm nguội, thường lấy bằng 50.
C - Tỷ nhiệt của gạch đệm, kJ/kg. độ.
Trong mọi trường hợp, hệ số cấp nhiệt từ khí tới gạch đệm là:
α1 = α bx + α dl
Hệ số cấp nhiệt đối lưu trong đệm buồng hồi nhiệt xác định theo công thức ở chương
hai, hoặc sử dụng công thức sau:
W00.5 * T −0.25
w/m2. độ
α dl = 5.77 (4-32)
0.33
d
W0 Tốc độ khí ứng với điều kiện chuẩn và tiết diện nhỏ nhất của kênh khí đi, m/s
(chuẩn).
T - Nhiệt độ tuyệt đối của khí, 0K.
d - Đường kính thuỷ lực của kênh khí trong đệm, m.
Cũng có thể dùng công thức sau:
λ
α dl = A Re n w/m2. độ (4-33)
d
λ - Độ dẫn nhiệt của sản phẩm cháy hoặc không khí w/m. độ.
Wt * d
Re =
t
Wt - Tốc độ khí thực tế của khí.
Trị số A và n trong bảng 4-5.
Bảng 4-5: Giá trị hệ số A và n
127
nguon tai.lieu . vn