Lò công nghiệp ( LCN ) là thiết bị nhiệt tạo ra môi trường có nhiệt độ cao để thực hiện các quá trình công nghệ nung nóng, nấu chảy, sấy... Trong sản xuất, LCN thường gặp như:lò cao, lò nung, lò luy
Chương 1: CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢNCỦA LÒ CÔNG NGHIỆP1.1. PHÂN LOẠI LÒ CÔNG NGHIỆP1.1.1 KHÁI NIỆMLò công nghiệp (LCN) là thiết bị nhiệt tạo ra môi trường có nhiệt độ cao để thực hiện các quá trình công nghệ nung nóng, nấu chảy, sấy…Trong sản xuất, LCN thường gặp như: lò cao, lò nung, lò luyện thép để cán, rèn dập, lò nấu thủy tinh, lò ống quay sản xuất ximăng, lò sấy, lò điện.Trong LCN, lượng nhiệt cấp cho lò là nhiệt năng tỏa ra khi đốt cháy nhiên liệu hoặc nhiệt tảo ra từ vật liệu được gia công nhiệt hoặc điện năng biến đổi thành nhiệt năng. Sự trao đổi nhiệt, cấu trúc lò, việc sử dụng nhiên liệu với thiết bị đốt cũng như chế độ nhiệt và nhiệt độ phù hợp yêu cầu công nghệ là những nhân tố có ảnh hưởng nhiều tới:- Chất lượng sản phẩm;- Năng suất của lò cùng với các thiết bị liên quan tới lò;- Giảm tỷ lệ phế phẩm, chi phí vật liệu, suất tiêu hao nhiên liệu;- Không làm ô nhiễm môi trường. 1.1.2 PHÂN LOẠI LCNNgười ta chia LCN thành 4 nhóm lò theo các đặc điểm sau:1.1.2.1. LCN theo đặc điểm nguồn nhiệt. Dựa vào các dạng năng lượng có thể biến đổi thành nhiệt năng LCN được phân làm 3 loại:a – Các lò nhiên liệu. Đây là các lò có sử dụng nhiên liệu. Nhiệt lượng sinh ra trong các lò này là do quá trình đốt cháy nhiên liệu vì thế chúng còn được gọi là lò có ngọn lửa.b – Các lò điện. Đây là các lò sử dụng điện năng. Theo nguyên lý biến đổi điện năng thành nhiệt năng, các lò điện được phân thành lò điện trở, lò điện hồ quang, lò điện cảm ứng, lò nung điện môi và lò Plazma. (Phần này sẽ được trình bày kỹ trong chương 8)c – Các lò tự phát điện. Đây là các lò không cần cung cấp năng lượng từ bên ngoài. Trong các lò này nhiệt được tỏa ra từ bản thân vật liệu được gia công nhiệt. Ví dụ như lò luyện thép LD, trong quá trình công nghệ, người ta rót vào lò gang lỏng có chứa từ 2 đến 4% cacsbon. Khi thổi gió vào gang lỏng sẽ xảy ra các phản ứng hóa học có tỏa nhiệt giữa oxy với cacbon:[ ]2 2C O CO Q+ = + 1.1.2.2 LCN theo đặc điểm công nghệ. Phụ thuộc vào tính chất quá trình gia công nhiệt vật liệu người ta phân thành 2 loại:a – Các lò nấu chảy. Trong các lò này vật liệu gia công được nấu chảy. Ví dụ như lò nấu thủy tinh, lò nấu chảy men, lò nấu chảy kim loại đen để đúc hoặc hợp kim hóa…b – Các lò nung. Trong các lò này vật liệu gia công được nung nóng nhưng không hóa lỏng. Ví dụ như lò nung thép để rèn, để cán; các lò nhiệt luyện kim loại (lò tôi, ủ, ram)1.1.2.3 LCN theo chế độ nhiệt. Theo đặc điểm quá trình trao đổi nhiệt từ nguồn nhiệt tới bề mặt vật gia công, có sự tham gia trao đổi nhiệt của tường lò, người ta phân LCN thành 3 nhóm:a – Các lò làm việc ở chế độ bức xạ nhiệt. Trong các lò này sự trao đổi nhiệt chủ yếu bằng bức xạ nhiệt, nhiệt độ lò thường 6000C. Các lò này lại được chia thành 3 nhóm: bức xạ phân bố đều, bức xạ trực tiếp và bức xạ gián tiếp. Thí dụ như các lò nung nhiệt luyện, lò nung trong xưởng cán và rèn.b – Các lò làm việc ở chế độ đối lưu. Trong các lò này sự trao đổi nhiệt chủ yếu bằng trao đổi nhiệt đối lưu, nhiệt độ lò nhỏ hơn 6000C. Thí dụ như các lò sấy, lò muối, lò nung gió… c – Các lò làm việc ở chế độ theo lớp. Trong các lò này vật liệu được gia công nhiệt ở dạng cục, dạng hạt hoặc bụi và được chất trong không gian làm việc của lò. Khi nóng chuyển động giữa các hạt liệu và tồn tại đồng thời cả ba dạng trao đổi nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ. Ở chế độ theo lớp có 3 dạng:- Lớp chặt: ở đây vật liệu nằm thành lớp, chất đầy trong không gian lò và chuyển động từ trên xuống. Khi nóng được thổi từ dưới lên, chuyển động qua khe hở giữa các hạt liệu. Ví dụ: lò cao luyện gang, lò đứng nấu gang.- Lớp sôi: ở đây các hạt liệu được xáo trộn mạnh mẽ trong trạng thái giống như sự sôi dưới tác động của dòng khí có tốc độ cao. Ví dụ: các lò nung manhêdit, oxy kẽm.- Lớp lơ lững: ở đây nghiền nhỏ và lơ lửng trong không gian lò dưới tác động thổi của dòng khí. Ví dụ: các lò nung quặng sunfua, lò nung dung dịch cô của sunfua kẽm.1.1.2.4 LCN theo đặc điểm cấu trúc. Dựa vào hình dạng, cấu trúc có các loại lò như: lò buồng, lò bể, lò ống quay, lò hầm, lò nung liên tục. 1.2. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA LCNĐể đánh giá, so sánh về cấu tạo, chế độ nhiệt, chất lượng thiết bị cần xét đến các thông số kỹ thuật và kinh tế đặc trưng nhất. Đối với LCN có các thông số sau:1.2.1. CHẾ ĐỘ NHIỆT ĐỘ CỦA LÒ1.2.1.1. Nhiệt độ lò. Đây là nhiệt độ trung bình trong không gian làm việc của lò. Nhiệt độ này mang tính quy ước, thường nhỏ hơn nhiệt độ của nguồn nhiệt và lớn hơn nhiệt độ của tường, nóc lò; ký hiệu: tk hoặc Tk ; tlò hoặc Tlò.Nhiệt độ lò phụ thuộc vào nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu, phụ tải nhiệt, cấu trúc và cách nhiệt của lò; được xác định gần đúng theo công thức:tlò 0 C (1-1)ở đây: - tlt : nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu, 0C- : hệ số nhiệt độ, phụ thuộc vào cấu trúc và chất lượng cách nhiệt của lò; thường có giá trị từ 0,65 đến 0,85 tùy thuộc vào kiểu lò [1].lttη=η 1.2.1.2. Chế độ nhiệt độ của lò. Phụ thuộc vào công nghệ gia công vật liệu, nhiệt độ của lò có thể thay đổi theo thời gian, theo không gian làm việc của lò.Sự thay đổi nhiệt độ lò theo thời gian gọi là chế độ nhiệt độ của lò: tlò = f Khi nhiệt độ không thay đổi, ta có chế độ nhiệt độ lò ổn định. Khi nhiệt độ lò thay đổi theo thời gian là chế độ nhiệt độ không ổn định.1.2.2. CHẾ ĐỘ NHIỆT CỦA LÒTrong quá trình gia công vật liệu, phụ thuộc vào công nghệ mà lượng nhiệt cung cấp cho lò có thể thay đổi ở các thời điểm khác nhau (còn gọi là phụ tải nhiệt). Sự thay đổi phụ tải nhiệt theo thời gian được gọi là chế độ nhiệt của lò. Q = f Khi phụ tải nhiệt không thay đổi ta có chế độ nhiệt ổn định; còn khi phụ tải nhiệt thay đổi là chế độ nhiệt không ổn định .Chế độ nhiệt có quan hệ mật thiết với chế độ nhiệt độ của lò. Để đảm bảo đúng chế độ nhiệt độ theo yêu cầu công nghệ, cần tiến hành tính tóan cấp nhiệt dự trên cơ sở tính cân bằng nhiệt.( )τ( )τ 1.2.3. CÔNG SUẤT NHIỆT CỦA LÒ.Công suất nhiệt của lò là phụ tải nhiệt lớn nhất mà lò có thể tiếp nhận được trong một đơn vị thời gian ; được ký hiệu bằng Q hoặc P, đơn vị đo kW.1.2.4. NĂNG SUẤT CỦA LÒ.đay là lượng vật liệu được gia công nhiệt của lò tính trong một đơn vị thời gian,ký hiệu là G ; đơn vị đo : t/h hoặc kg/h hay t/ngày hoặc kg/ngày . Năng suất lò phụ thuộc vào nhiệt độ buồng lò, nhiệt độ khói ra khỏi lò, cường độ , đặc điểm quá trình truyền nhiệt từ khí lò tới vật liệu và cấu trúc của lò.Khi so sánh các lò khác nhau còn có khái niệm năng suất riêng của lò( cường độ đáy lò ). Đây làlượng sản phẩm gia công đượic tính trên một mét vuông diện tích đáy lò trong một đơn vị thời gian ; ký hiệu là “h”; đơn vị kg/m2.h.1.2.5. CÁC HIỆU SUẤT1.2.5.1.Hiệu suất sử dụng nhiệt có ích. Đây là tỷ số giữa lượng nhiệt có ích để gia công vật liệu và tòan bộ lượng nhiệt cung cấp cho lò . có ích = (1- 2)ở đây: Qcó ich bao gồm nhiệt để giacông vật liệu QVL,kJ/h; nhiệt để gia công cho xỉ khi công nghệ có tạo xỉ Qx,kJ/h; nhiệt của các phản ứng hóa học QPUHH,kJ/h.-bao gồm lượng nhiệt tỏa ra khi đốt cháy nhiên liệu Qc, kJ/h; lượng nhiệt vật lý của không khí đưqợc nung nóngQkk,kJ/h; lượng nhiệt vật lý của nhiên liệu được nung nóng( thường chỉ tính đối với nhiên liệu là chất khí)QNL.kJ/h.Cụ thể các lượng nhiệt này được trình bày trong chương 6.η.100%coichcapQQ∑ 1.2.5.2. hiệu suất sử dụng nhiệt:Đây là tỷ số giữa tổng lượng nhiệt có ích và lượng nhiệt tổn thất trong khu vực lò với tòan bộ lượng nhiệt cung cấp cho lò. q = (1-3)Ở đây : - Qtonthat là lượng nhiệt tổn thất dưới tất cả các dạng ( dân nhiệt qua từơng,bức xạ qua cửa mở,do nước làm mát…), kJ/h.1.2.5.3.Hiệu suất sử dụng nhiên liệu :Đây là tỷ số giữ lượng nhiệt có ích để gia công vật liệu Qcoich và lượng nhiệt tỏa ra khi đốt cháy nhiên liệu Qc. ( 1-4)So sánh công thức (1 -2) và ( 1 -4) ta thấy : khi không nung nóng trước không khí, QKK = 0 và không nung nóng trước nhiên liệu QNL = 0 thì có ích= nl 100%coich tonthatcapQ QQ∑+η.100%coichnlCQQη=η η 1.2.6. SUẤT TIÊU HAO NHIÊN LIỆUTIÊU CHUẨN Do việc sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau hoặc tuy cùng một dạng nhưng nhiên liệu lại có nhiệt trị khác nhau nên để đánh giá và so sánh các LCN về phương diện sử dụng nhiệt người ta dùng một đặc trưng cơ bản : suất tiêu hao nhiên liệu tiểu chuẩn, ký hiệu : b. Đây chính là lượng nhiên liệu tiêu chuẩn để gia công một đơn vị khối lượng vật liệu. , kg nhiên liệu tiêu chuẩn / kg vật liệu (1 -5)Ở đây : - B là lượng tiêu hao nhiên liệu, kg/h hoặc m3/ h; - QT là nhiệt trị thấp của của nhiên liệu, kJ/kg hoặc kJ /m3 - 29300 là nhiệt trị của 1 kg nhiên liệu tiêu chuẩn (quy ước),kJ/kg - G là năng suất của lò, kg/hTheo , giá trị các hgiệu suất sử dụng nhiên liẹu và giá trị suất tiêu hao nhiên liệu chuẩn của LCN hiện nay như sau:.29300.rB QbG=nlη÷÷÷30 5015 305 0,05 ÷ 0,150,1 ÷ 0,250,1 ÷ 0,5030 ÷ 5015 ÷ 305 ÷ 20 Lò nung liên tụcLò buồng để cán và rènLò buồng để nhiệt luyệnb, kg/kg, %Loại lò Chương 2 – CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA LCN [...]... đổi nhiệt giữa : ngọn lửa - vật liệu - tường lò ta có các phương trình cân bằng sau: V q v = Q + QT (1 − ε N ) − QV (2 -1 ) N qT = Q T N + QV (1 − ε N ) − Qt (2 -2 ) Ở đây : - qV,qT là các dòng nhiệt tổng hợp của vật liệu và tường lò; V T - QN , QN là các dòng nhiệt từ ngọn lửa tới vật liệu và tường lò; - QV,QT là các dòng nhiệt hiệu quả ứng với bề mặt vật liệu và tường lò - εN là độ đen ngọn lửa Phụ... đại lượng này được xác định theo công thức dưới đây của V Nusselt: ρ 2 λ 2 C.β ∆t α dl = B , η Ở đây: B ρ λ C β kg/m.s η W/m2 ( 2-5 ) - hệ số thực nghiệm - khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3 - hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng, W/m.độ; - nhiệt dung riêng của chất lỏng, kJ/kg.độ - hệ số giãn nở thể tích của chất lỏng, 1/độ - hệ số nhớt động lực học của chất lỏng, hoặc Pa.s ; - độ chênh lệch nhiệt độ giữa... nhiệt đối lưu đóng vai trò chủ yếu Phương trình cơ bản để tính lượng nhiệt trao đổi bằng đối lưu là công thức Newton: Q = α dl ∆t.Fv , W ( 2-3 ) Ở đây: -Q : lượng nhiệt trao đổi bằng đối lưu ; - α dl : hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, W/m2.0C ; - ∆t = tk – tv: hiệu nhiệt độ giữa khí lò và vật liệu, 0C ; - Fv : diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của vật liệu, m2 α Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ( ) dl phụ thuộc... khí Lượng nhiệt trao đổi giữa vật và không khí được tính theo công thức Newton: α α qlng = α lng v – tKK) = ( + bx)(tvdl– tKK) (t ( 2-6 ) Ở đây: α lng - hệ số làm nguội (cả bức xạ và đối lưu), W/m2.độ ; α bx - hệ số trao đổi nhiệt bức xạ, W/m2.độ ; α dl - hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, W/m2.độ ; tv - nhiệt độ bề mặt của vật làm nguội, 0C; tKK - nhiệt độ của không khí bao quanh vật, 0C α Giá trị của hệ số... theo đồ thị sau: có α lng Hình 2-3 Hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt vật tv α α Muốn chính xác ta tính bx vàdl theo các công thức sau: qbx α bx = = , W/m2.độ ( 2-7 ) tv − t KK Đối với chế độ đối lưu tự nhiêndl thì được tính từ phương trình α chuẩn: Nu = C.(Gr.Pr)n ( 2-8 ) Với: C = 0, 450 và n = 0 khi tích số (Gr.Pr) < 1 0-3 C = 1, 180 và n = 0,125 khi tích số (Gr.Pr) = 1 0-3 5.102 C = 0,540 và n = 0,25...Qúa trình trao đổinhiệt (QTTĐN)trong không gian làm việc của lò được chia làm 2 thành phần: QTTĐN bên ngòai : giữa ngọn lửa , khí lò và bề mặt trong của tường, nóc lò với bề mặt vật liệu được gia công nhiệt QTTĐN bên trong ; Từ bề mặt ngoài vào trong tâm của vật liệu Phụ thuộc vào công nghệ, đối với LCN có 3 chế độ làm việc : chế độ làm việc bức xạ ( CĐLVBX), chế độ làm... ngang có đường kính 100 mm; Qúa trình trao đổinhiệt (QTTĐN)trong không gian làm việc của lò được chia làm 2 thành phần: QTTĐN bên ngòai : giữa ngọn lửa , khí lò và bề mặt trong của tường, nóc lò với bề mặt vật liệu được gia công nhiệt QTTĐN bên trong ; Từ bề mặt ngoài vào trong tâm của vật liệu Phụ thuộc vào công nghệ, đối với LCN có 3 chế độ làm việc : chế độ làm việc bức xạ ( CĐLVBX), chế độ làm... hơn chiều dài ngọn lửa) Miệng kênh khói có thể đặt phía trên hoặc phía dưới buồng lò và thường đặt ở gần đáy lò trong trường hợp khi cửa thoa tác đặt ở dưới (để không khí lạnh lọt vào lò thoát ra dễ dàng) 2.1.1.3 Lĩnh vực sử dụng CĐBXPBĐ phù hợp khi cần nung vật dày với tốc độ cao và nung đều (nung các thỏi thép trong lò giếng) 2.1.2 CHẾ ĐỘ BỨC XẠ TRỰC TIẾP (CĐBXTT) Q> Q, nguồn nhiệt và trường 2.1.2.1... trước Trong thực tế thường dùng mỏ đốt lồng ống và ống phun thấp áp Các mỏ đốt có công suất nhỏ với số lượng nhiều được bố trí thành nhiều hàng; ở hàng dưới có số lượng mỏ đốt hoặc công suất lớn hơn hàng trên V T N N Cần đảm bảo trường nhiệt độ đồng đều trong không gian làm việc của lò, tránh tạo ra các vùng không có khí lò luân chuyển Các miệng kênh khói không nên đặt đối diện với mỏ đốt (có thể được... f chất lỏng tf ttb = 2 ,0C ∆t Hình 2-2 biểu thị quan hệ giữa và độ quá nhiệt của chất lỏng (so với nhiệt độ nóng chảy) khi nung nóng cũng như làm nguội các chi tiết bằng thép trong các muối nóng chảy Hình 2-2 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu khi nung nóng và làm nguội các chi tiết bằng thép trong các muối nóng chảy 2.2.1.3 Nhận xét Từ đồ thị trên ta nhận thấy rằng: a- Hệ số trao đổi nhiệt khi làm nguội . Chương 1: CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢNCỦA LÒ CÔNG NGHIỆP1.1. PHÂN LOẠI LÒ CÔNG NGHIỆP1.1.1 KHÁI NIỆMLò công nghiệp (LCN) là thiết bị nhiệt tạo ra môi. ngọn lửa - vật liệu - tường lò . ta có các phương trình cân bằng sau:(2 -1 )(2 -2 )Ở đây : - qV,qT là các dòng nhiệt tổng hợp của vật liệu và tường lò; - là