Thiết bị nhiệt

TRƯờNG ĐạI HọC BáCH KHOA Đà NẵNG KHOA HóA - NGàNH cnhh & VậT LIệU 2007 Chơng Chuyển động khí lò công nghiệp 1Khái niệm định luật 1.1.1 Khái niệm Sự chuyển động dòng khí thiết bị nhiệt nói chung lò sấy, lò nung ngành sản xuất vật liệu xây dựng nói riêng có ảnh hởng nhiều đến suất lò Bởi chuyển động gắn liền với hiệu trình trao đổi nhiệt dòng khí vật liệu lò Do tốc độ, thành phần khí, chiều hớng đặc tính chuyển động dòng khí cần phải đảm bảo Ngoài yếu tố yêu cầu hợp lí kết cấu lò, kỹ thuật gia công chuẩn bị vật liệu, phân bố nhiệt độ trì môi trờng lò Ngày thiết bị nhiệt đại, chuyển động tự nhiên dòng khí khó đảm bảo cho lò làm việc có suất cao, công suất lớn Nên hầu hết thiết bị nhiệt dùng quạt để tạo chuyển động cỡng dòng khí Thực tế lò công nghiệp, áp suất d hay chân không thông thờng nhỏ 50mm H2O, tính trình liên quan đến dòng khí bỏ qua ảnh h−ëng cđa c¸c u tè ¸p st tíi sù nÐn giÃn nở khí, mà xem xét nh chất lỏng không chịu nén, đồng liên tục lấp đầy kênh dẫn Nên vận dụng đợc định luật chuyển động chất lỏng vào chất khí Cần ý điểm khác chất khí chất lỏng chỗ chất khí biến đổi thể tÝch, tèc ®é, mËt ®é rÊt nhiỊu theo nhiƯt ®é Nên việc nghiên cứu áp dụng định luật chất khí cần thiết để khảo sát dòng khí lò 1.1.2 Các định luật 1.1.2.1 Định luật Boil - Mariotte Khi nhiệt độ không đổi, áp suất khối khí tỷ lệ nghịch với thĨ tÝch cđa nã P1 V2 = P V1 - T = const ta cã Hay: (1-1) pv = const 1.1.2.2 Định luật Gay - Lussac Khi áp suất không đổi, thể tích riêng khí lý tởng biến ®ỉi tû lƯ thn víi nhiƯt ®é tut ®èi V1 T1 = V2 T2 - P = const, ta cã Hay: (1-2) V = const T Khối lợng riêng khí áp suất không đổi biến đổi tỷ lệ nghịch với nhiệt độ V1 m / ρ1 ρ T1 = = = V2 m / ρ ρ1 T2 (1-3) Khi tÝnh to¸n ta thờng gặp phải tính thể tích khí với khối lợng riêng khí nhiệt độ toC biết thể tích khối lợng riêng nhiệt độ chuẩn OoC Vt T1 273 + t = = Vo To 273 Vt = Vo (1+ t) 273 , [ m3 ] (1-4) : hƯ sè d·n në thĨ tích, đại lợng hầu nh không đổi với tất loại khí 273 t = o ( 273 ) , [ Kg/m3] 273 + t (1-5) Khèi l−ỵng riêng hỗn hợp khí xác định công thức sau: ρhh = V1 ρ1 + V2 ρ + + Vn ρ n 100 V1, V2, …, Vn : Thể tích khí thành phần (%) 1, 1, ,n: Khối lợng riêng khí thành phần (kg/m3) Nếu biết tốc độ khí nhiệt độ chuẩn (hoặc nhiệt độ đó) ta xác định đợc tốc độ khí nhiệt độ (t 0C) õang khảo sát Wt = Wo ( 273 + t ) , [ m/s] 273 (1-6) Khi thể tích không đổi, áp suất tû lƯ thn víi nhiƯt ®é tut ®èi cđa nã - v = const P1 T1 = P T2 (1-7) Suy quan hệ áp suất nhiệt độ t nhiệt độ chuẩn OoC: Pt = Po (1+ t) 273 (1-8) 1.1.2.3 Phơng trình trạng thái khí Quan hệ áp suất, nhiệt độ thể tích biểu thị phơng trình trạng thái khí Pv = RT (1-9) P: ¸p st cđa khÝ , [N/ m2] v: thĨ tÝch riªng cđa khÝ , [m3/ kg ] T: nhiƯt ®é tut ®èi , [ oK] R:H»ng sè khÝ b»ng 8314/M, [j / kg.0C] vµ M khèi lợng mol khí 1.1.2.4 Định luật Dalton áp suất chung hổn hợp khí tổng áp suất riêng phần khí thành phần Phh = P1 + P2 + + Pn (1-10) Vhh = V1 + V2 + + Vn (1-11) Phh : áp suất hỗn hỵp khÝ P1 , P2 , , Pn : áp suất riêng phần khí Vhh: thể tích hỗn hợp khí V1 , V2 , , Vn : Thể tích riêng khí có hỗn hợp khí Từ Boil - Mariotte ta tính đợc áp suất riêng phần, ta có Pn = Phh Vn Vhh Pn V = n suy ra: Phh Vhh (1-12) 1.2 Các dạng áp suất khí Sự chuyển động chất khí ống dẫn, kênh lò gắn liền với lực gây chuyển động khí áp suất Đối với khí lý tởng có dạng ¸p suÊt: ¸p suÊt tØnh häc, ¸p suÊt tèc ®é (hay động học) áp suất hình học Với khí thực, dạng áp suất có áp st tỉn thÊt hay trë lùc 1.2.1 ¸p st tØnh học áp suất tỉnh học chênh lệch áp suất thực nồi hơi, lò hay đờng ống (gọi áp suất tuyệt đối Ptu ) với áp suất khí bên thờng đo baromet Pba có giá trị âm hay dơng Pth = Ptu - Pba (1-13) Trong c¬ häc chÊt khí, áp suất tĩnh học đợc coi dự trữ lợng, lợng tiêu tốn khí chuyển động Vì áp suất tĩnh học khí Đơn vị đo áp suất átmốtphe kỹ thuật [at], átmốtphe vật lí [atm], [mmHg], [N/m2], [mmH2O], [KG/cm2 ] Quan hệ đơn vị đo: at ứng với 735,56mmHg, hay tơng ®−¬ng 10 mH2O = 10.000 mmH2O = 1kG/cm2= 9.81.104 N/ m2 1atm ứng với 760mmHg hay tơng đơng 10,333 m H2O = 10.033mmH2O 1.2.2 áp suất hình học áp suất hình học đợc xác định tích số chiều cao cột khí độ chênh lệch khối lợng riêng khí thay ( không khí khÝ) Phh = Hg (ρkk - ρk ) , [ N/m2 ] (1-14) H - ChiỊu cao cđa cét khÝ , [m] g - Gia tèc träng tr−êng [ m/s2] kk , k = Khối lợng riêng không khí khí, [kg/m3] Nh áp suất hình học đợc tạo phụ thuộc vào độ cao H độ chênh lệch khối lợng riêng khí không khí Nếu chiều cao H lớn, nhiệt độ khí cao tức k nhỏ áp suất hình học hay sức hút ống tạo nên lớn Giữa tiết diện kênh hay ống dẫn có áp suất hình học có chênh lệch độ cao tiết diện có khí chuyển động ống kênh (hình 1-1) Trờng hợp áp suất hình học xác định Phh = (H2-H1) g (kk - ρk) Phh = ∆ H.g (ρkk - ρk) , [N/ m2 ] (1-15) Hình 1-1 - Sơ đồ áp suất hình học Giá trị áp suất hình học dơng (+) âm (-) 1.2.3 áp suất tốc độ áp suất tốc độ động dòng khí chuyến động Trong học, động vật thể rắn có khối lợng m chuyển động với tốc độ W xác định đại lợng mW2/2 Nếu ta thay khối lợng m khối lợng riêng vật thể khí nhiệt độ to t ta đợc áp suất tốc độ: Ptđ = Wt ρt 2g Hay Pt® = Wt ρt Pt® = [ mmH2O] [ N/ m2 ] (1-16) , Wo2 ρo ( (1 + β t ) ) , [N/ m2 ] (1-17) Wo ; ρo - Tèc độ khối lợng riêng khí nhiệt độ OoC áp suất tốc độ khí thành lập quạt đẩy quạt hút hai Vì áp suất tốc độ có liên quan phụ thuộc nhiều vào tốc độ dòng khí, nên ta phải ý đến chuẩn số Reynolds đặc trng chuyển động dòng khí Re = Wt d t t - độ nhít ®éng häc cđa khÝ ë nhiƯt ®é t, [m2/s.] Wt – VËn tèc khÝ ë nhiƯt ®é t, [m/s] d - ®−êng kÝnh thđy lùc cđa èng dÉn , [m] ví dụ kênh dẫn khí hình chữ nhật có số đo cạnh a, b d= ab a+b (1-18) NÕu Re < 2200 ta cã chun ®éng dòng Re > 2200 ta có chuyển đọỹng xoáy Re = 2200 ta có chuyển động độ dòng khí 13 Phơng trình chất khí 1.3.1 Phơng trình cân khí Xét bình hở đáy chứa đầy khí nằm trang thái tĩnh hình 1-3 khí có mật độ k nhỏ mật độ không khÝ xung quanh ρkk Ta cã: ¸p suÊt bình Pk = Pa - Hg k , [N/m2] áp suất không khí Pkk = Pa - Hg kk , [ N/m2] Do ®ã: ∆P = Pk - Pkk = Hg (ρkk - ρk) [ N/m2] (1-19) Còng chøng minh tơng tự, bình hở miệng ta có: Pk = Pa + Hg ρk Pkk = Pa + Hg ρkk ∆P = Pk - Pkk = - Hg (kk - k) [ N/m2 ] Trong trờng hợp đầu thờng ứng dụng để tính chiều cao hợp lí để đặt thiết bị đo thiết kế cửa quan sát, lấy mẫu, thử mẫu trờng hợp thứ hai, áp suất khí bình nhỏ áp suất không khí Cho nên ta mồớ cửa dới, không khí ùa vào bình đẩy khí khỏi bình lên phía thờng ứng dụng để tính chiều cao ống khói 1.3.2 Phơng trình dòng liên tục Khi khí chuyển động khối lợng khí qua tiết diện Nên phơng trình liên tục dòng có dạng sau: F1W11 = F2W22 = const F1, F2 - TiÕt diƯn vµ 2, (1-20) [m2] W1, W2 - Tèc ®é khÝ cđa tiÕt diƯn vµ 2, [m/s] ρ1 , ρ2 - MËt ®é khÝ cđa tiÕt diƯn vµ 2, [Kg/m3] NÕu ρ = const T = const F1W1 = F2W2 = V = const (1-21) Do ®ã: W = V F Vµ nÕu F1 = F2 ρ1W1 = ρ2W2 = const Do ®ã: W2 = W1 T2 T1 (1-22) (1-23) Nếu đờng ống không kín, khí ống rò không khí lọt vào đờng ống qua lỗ hở đó, phơng trình liên tục dòng cã d¹ng sau: ρ1 F1 W1 = G ρhh F2 W2 = G ± ρ2∆V [Kg/s] [Kg/s ] (1-24) ρhh - Khèi l−ỵng thĨ tÝch hỗn hợp khí [Kg/m3] - Khối lợng thể tÝch cđa khÝ lät [Kg/m3] ∆V – thĨ tÝch khÝ lọt vào có dấu (+) rò có dấu (-), [m3/s] 1.3.3 Phơng trình chuyển động khí Năng lợng toàn phần dòng khí lý tởng bao gồm áp suất tĩnh học, hình học áp suất tốc độ Quan hệ áp suất đợc biểu thị phơng trình Bernulli, dạng định luật bảo toàn lợng dòng khí chuyển động áp suất không cao Xét tiết diện kênh dẫn khí, phơng trình chuyển động khí lý tởng là: H1 + P W2 P1 W12 + = H2 + + = const ρg g ρg g (1-25) hay Hρg + P + W 2ρ = const (1-26) Đó là: Phh + Pth + Ptđ = const (1-27) Đối với khí thực, tiết diện có tổn thất áp suất phơng trình Bernulli có dạng sau: Hg + P + W 2ρ + ht+t = const (1-28) Cã nghĩa là: Đối với khí thực, chúng chuyển động tổng áp suất tĩnh học, hình học, tốc độ áp suất tổn thất đại lợng không đổi Nếu ống kênh nằm ngang, áp suất hình học không, lấy ví phân ta có: dW dp + + dhtt = ρ Tèc ®é khÝ phụ thuộc vào tiết diện ống, kênh dẫn nhiệt độ Nếu kênh mở rộng, đồng thời áp suất tốc độ không đổi tổn thất áp suất để thắng sức cản ma sát Trong ống kênh nằm ngang với tiết diện không đổi Giả thiết tổn thất htt = Quan hệ biến đổi nhiệt độ áp suất viÕt d−íi d¹ng: - dp = ρ W d W , (*) Lấy tích phân xác định (*), cuối ta cã P1 - P2 = ρ2 W22 - ρ1 W21 = ( W22 W2 ρ − 1 ) 2 Nếu ống kênh không nằm ngang, chiỊu cao cđa tiÕt diƯn lµ H1 , cđa tiÕt diƯn lµ H2 vµ H2 > H1 ta có phơng trình: P1 - P2 = ( T W22 W2 273 g (H2- H1)1n ρ − ρ ) + ρo T − T1 T1 2 NÕu tõ tiÕt diÖn đến tiết diện có tổn thất phơng trình chuyển động khí có dạng: P1 - P2 = ( T W22 W2 273 g (H2- H1)1n +htt ρ − ρ ) + ρo T T1 T1 2 (1-29) Những phơng trình sử dụng nhiệt độ thay đổi nhiều nh buồng thu hồi nhiệt chẳng hạn 1.4.Sự chuyển hóa dạng áp suất HÃy khảo sát chuyển động khí theo đờng ống hình 1- 4, áp suất hình học hhh = O giả sử áp suất tổn thất htt = O đoạn tiết diện hẹp, áp suất tốc độ tăng lên dẫn tới giảm áp suất tĩnh học đại lợng đại lợng tăng áp suất tốc độ Nh có nghĩa áp suất tĩnh học đà chuyển thành ¸p suÊt tèc ®é hay nãi kh¸c ®i ¸p suÊt tốc độ đợc tạo áp suất tĩnh học Hình 1-4 - Sự chuyển áp suất tĩnh học thành áp suất tốc độ (Xem trang sau) Dự trữ lợng khí áp suất tĩnh học nhờ mà khí chuyển động Trong dòng khí chuyển động lại xuất áp suất tổn thất Nh khÝ chun ®éng khÝ theo ®−êng èng cã tiÕt diƯn không đổi áp suất tĩnh học chuyển thành áp suất tốc độ áp suất tốc độ lại liên tục chuyển thành áp suất tổn thất hth htđ htt Khi đó, kênh tỉết diện không đổi, áp suất tốc độ luôn không đổi sù chun hãa cđa ¸p st tÜnh häc ¸p st tổn thất ngợc lại, biến thành dạng áp suất khác, điều có nghĩa áp suất tổn thất dạng không thuận nghịch Động khí chuyển thành nhiệt ứng với đại lợng áp suất tổn thất Thực tế, nhiệt độ khí tăng lên (chỉ vài phần độ) coi nh không tăng Do áp suất tổn thất làm giảm dự trữ lợng áp suất tĩnh học Từ phơng trình Bernulli ta thấy rằng, thay đổi áp suất áp suất thay đổi theo Điều có nghĩa áp suất chuyển thành ¸p st kh¸c tỉng ¸p st cđa dßng khÝ chuyển động trì không đổi Thông thờng chuyển hóa áp suất xÃy có thay đổi tiết diện kênh dẫn 1.5 Sức cản (trở lực) dòng khí Khi dòng khí chuyển động thẳng kênh thẳng có tiết diện không đổi lợng dòng khí phải tiêu tốn khí ma sát vào tờng, vào kênh Khi tiết diện kênh thay ®ỉi nh− co hĐp hay ë réng, hc thay ®ỉi chiều hớng chuyển động (quay vòng) hay có cản trở đờng dòng khí, xuất trồớ lực phụ dòng khí phải tiêu tốn lợng để khắc phục trở lực Trở lực xuất làm cho tốc độ dòng khí phải phân bố lại theo tiết diện ngang, đồng thời tạo dòng xoáy phụ dẫn đến tiêu tốn lợng Nh đờng khí vào kênh ( ống hay tờng) có - Sức cản ma sát khí vào kênh (ống hay tờng) sức cản xuất toàn ®−êng ®i cđa khÝ kªnh dÉn ë mäi tiÕt diện chiều hớng khác - Sức cản địa phơng xuất khu vực hay đoạn kênh dẫn, ví dụ: đoạn kênh đoù thay đổi tiết diện thay đổi hớng Tuy nhiên bên cạnh hai dạng sức cản có dạng sức cản khác áp suất hình học tạo nên Trờng hợp xảy chuyển khí nóng theo đờng ống xuống phía dới nghĩa ngợc với chiều chuyển động tự nhiên khí nóng Trái lại, chuyển động khí nóng lên phía áp suất hình học lại lợng chuyển vận khí phải phụ thêm vào áp suất tĩnh học áp suất tĩnh học lợng dòng khí chuyển động Vì áp suất hình học sức cản phải đa vào tổng sức cản hệ thống, ngợc lại lợng chuyển động giảm sức cản hệ tổng sức cản hệ b»ng: htt = ∑hms + ∑hdf ± ∑hhh (1-30) hms - sức cản ma sát hđf - sức cản địa phơng (cục bộ) hhh - áp suất hình học Đơn vị đo N/m2 mm H2O 1.5.1 Sức cản ma sát Sức cản ma sát có suốt đờng khí, phụ thuộc vào đặc tính chuyển động dòng khí tức chuẩn số Reynolds, trạng thái bề mặt kênh dẫn, chiều dài đờng kính kênh đó: hms = 273 + t L Wo2 ρo d 273 , [N/m2] (1-31) Trong ®ã: Wo2 273 + t ρo = htđ 273 - hệ số ma sát, phụ thuộc vào trạng thái bề mặt kênh dẫn chế độ chuyển động khí tức phụ thuộc vào chuẩn số Re L - Chiều dài kênh dẫn khí, [m] d - Đờng kính kênh dẫn khí, [m] Khi chuyển động dòng: = 64 Re W - tốc ®é dßng khÝ ; Re = W.d ν (1-32) [m/s] ν - ®é nhít ®éng cđa khÝ [m2/s] d - ®−êng kÝnh qui ®ỉi (®−êng kÝnh thđy lùc) cđa kªnh dÉn khÝ d= 4F C F - tiÕt diÖn ngang cđa kªnh dÉn, [m2] C- chu vi cđa tiÕt diện đó, [m] Khi chuyển động xoáy, phân bố tốc độ trở nên không đặn Do có dòng xoáy mà trở lực tăng lên Ngoài chỗ gồ ghề mặt kênh tạo sức cản phụ dòng xoáy riêng biệt gặp Nếu tốc độ chuyển động khí cao, độ xoáy lớn độ gồ ghề mặt kênh có ảnh hởng nhiều đến sức cản Lớp khí chuyển động dòng sát mặt kênh biến độ xoáy tăng lên sức cản đạt tới giá trị cực đại Khi khí chuyển động xoáy ống kim loại nhẫn, hệ số cản ma sát không phụ thuộc vào loại khí chuyển động Nếu Re 105 hệ số xác định theo công thøc Bzarius b»ng: β= 0,3164 Re , 25 (1-33) Trong kim loại xù xì: = 0,129 Re ,12 (1-34) Trong ống xây gạch = 0,175 Re ,12 (1-35) Khi độ xoáy dòng tăng cao, độ gồ ghề kênh có ảnh hởng nhiều đến hệ số cản Khi hệ số cản không phụ thuộc vào chuẩn số Re mà phụ thuộc vào độ gồ ghề mặt kênh = 0,19 ε = K d ε (1-36) - §é gồ ghề tơng đối mặt kênh K - Chiều cao trung bình lớp gồ ghề mặt kênh dẫn, [mm] d - Đờng kính kênh dẫn, [mm] Đối với ống, ta có trị số K sau: èng kim lo¹i míi K= 0,04 - 0,17 èng gang míi K= 0,21 - 0,42 èng kim lo¹i bÈn K= 0,75- 0,90 Kênh gạch K= 0,80 - 6,0 Gần đúng, trị số lấy giá trị sau: ống kim loại = 0, d Kênh gạch = d 10 ... chuẩn bị vật liệu, phân bố nhiệt độ trì môi trờng lò Ngày thiết bị nhiệt đại, chuyển động tự nhiên dòng khí khó đảm bảo cho lò làm việc có suất cao, công suất lớn Nên hầu hết thiết bị nhiệt dùng... động dòng khí thiết bị nhiệt nói chung lò sấy, lò nung ngành sản xuất vật liệu xây dựng nói riêng có ảnh hởng nhiều đến suất lò Bởi chuyển động gắn liền với hiệu trình trao đổi nhiệt dòng khí... mËt ®é rÊt nhiỊu theo nhiệt độ Nên việc nghiên cứu áp dụng định luật chất khí cần thiết để khảo sát dòng khí lò 1.1.2 Các định luật 1.1.2.1 Định luật Boil - Mariotte Khi nhiệt độ không đổi, áp