CHƯƠNG III. CHỌN THỂ XÂY VÀ TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT 1. Cấu trúc lò
2. Tính cân bằng nhiệt
2.1. Các khoản nhiệt thu
Dầu FO khi bị đốt cháy sẽ toả ra một nhiệt lượng được xác định theo công thức:
Qc=0,28 B× 𝑄𝑡[W]
Trong đó:
33
Đá y lò
B: Lượng tiêu hao dầu FO, [kg/h]
𝑄𝑡: Nhiệt trị thấp của dầu FO, 0,28: Hệ số chuyển đổi đơn vị
Qc=0,28 B× 36539,4= 10231 B [W]
Không khí được nung nóng sẽ mang vào lò một lượng nhiệt : Qkk = 0,28 Ckk tkk L × f B [W]
Trong đó:
Ckk : Entanpy của không khí ẩm ở nhiệt độ; tkk = 300 [°C] Ta có: i = 395,42 [kJ/m ]
L : Lượng không khí thực tế cần để đốt 1 kg dầu FO L = 11,526 [m3/kg]
f: Tỷ lệ nung trước không khí = 1 Trong đó:
𝜑, 𝜌0: Suất tiêu hao không khí nén(𝜑 = 1) và khối lượng riêng ở điều kiện tiêu chuẩn, 𝜌0 = 1,293 [kg/m3]
Qkk= 0,28 395,42 11,526 1× 𝐵 = 1276 B [W]
Theo số liệu ban đầu, dầu FO được nung trước 100% tới nhiệt độ tdầu =110 Qdầu = 0,28 Cdầu tdầu B [W] Trong
đó:
Cdầu: Nhiệt dung riêng của dầu FO; Cdầu= 2,176 [kJ/kg.K] . tdầu : Nhiệt độ nung trước của dầu FO tdầu = 110[°C]
Qdầu = 0,28 2,176 110 B = 67 B [W]
Khi nung, kim loại bị oxi hóa, phản ứng oxi hóa kim loại là phản ứng nhiệt Qtoả = 0,28 a q P [W]
Trong đó: a: tỷ lệ kim loại bị oxi hóa khi nung trong lò. Đối với lò nung cán chọn a= 0,005
q: Lượng nhiệt tỏa ra khi 1 kg sắt(Fe) bị oxy hóa, q= 5650 kJ/kg] P:
Năng suất lò, P=16000 [kg/h]
Qtoả = 0,28 0,005 5650 16000 = 126560 W
2.2. Các khoản chi nhiệt lượng
Để nung nóng kim loại tới nhiệt độ yêu cầu cần một lượng nhiệt: Q1 = 0,28 P (ic – iđ) [W]
Trong đó:
P=16000 [kg/h] iđ= i30
=13,9[kJ/kg] ic=i1239,5= 858,6 [kJ/kg]
Q1 = 0,28 16000 (858,6 – 13,9)= 3784256 [W]
34
Do đốt cháy không hoàn toàn hoá học nên tạo ra một lượng khí CO và H2. Các khí này là các chất cháy, vì vậy khi thoát ra khỏi lò sẽ gây ra lượng nhiệt tổn thất.
Q2= 0,28× 𝑝 × 𝑔 × B× 𝑉𝑛 [W] Với: p: Tỷ lệ khí CO và H2 có trong sản phẩm cháy, chọn p = 0,005(vì lò dùng mỏ đốt cao áp) g: Giá trị nhiệt trị trung bình của các khí CO, H2; g = 12150 [kJ/m3tc]
𝑉𝑛: Lượng sản phẩm cháy thực tế sinh ra khi đốt 1kg dầu FO,
=> Q2= 0,28× 0,005 × 12150 × 12,011 × B = 204,3 B [W]
Lượng nhiệt tổn thất này được xác định theo công thức:
Q3 = 0,28 K Qt B [W]
Trong đó:
K: -Hệ số mất mát do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học; vì nhiên liệu lỏng nên K = 0,005 , (tổn thất 0,5%)
Qt: Nhiệt trị thấp của dầu FO; Qt = 36539,4 [kJ/kg]
Q3 = 0,28 0,005× 36539,4 ×B = 51,16×B [W]
𝑄4 = 4𝑡 4𝑛+𝑄4đ [𝑊 Trong đó:
𝑄4𝑡, 𝑄4𝑛, 𝑄4đ: lượng nhiệt mất do dẫn nhiệt qua tường, nóc, đáy lò. Lượng nhiệt mất do dẫn nhiệt qua thể xây được xác định như sau:
Trong đó:
𝑡𝑤1: Nhiệt độ mặt trong của thể xây, [ ] Tương ứng với mỗi vùng có (
Nhiệt độ này nhỏ hơn nhiệt độ khí lò nhưng lớn hơn nhiệt độ kim loại;
tt=ttbk- (50÷ 100℃), ở đây ta chọn tt=ttbk- 50
𝑡𝑤2: Nhiệt độ mặt ngoài thể xây, [ ] Tương ứng với mỗi vùng có ( 𝛿𝑖: Chiều dày lớp gạch thứ i, [m]
𝜆𝑖: Hệ số dẫn nhiệt của lớp gạch thứ i tương ứng, [W/m ] được xác định theo công thức ở bảng 42[1]
𝐹𝑡: Diện tích bề mặt phía ngoài của thể xấy tiếp xúc với không khí,[m2] 𝐹𝑡 = 𝐿𝑛𝑔𝑜à𝑖 × 𝐻𝑛𝑔𝑜à𝑖 [𝑚2]
35
] [𝑊
�𝑡
�
× 𝜆𝑖𝑖
∑𝛿 2
𝑡𝑤 1− 𝑡𝑤
𝑛𝑔=
ờ ư
𝑄𝑡
Vì hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của lớp gạch, do đó cần xác định nhiệt độ trung bình của các lớp gạch. Nhiệt độ này tính gần đúng như sau: Đối với thể xây 3 lớp:
Chiều dày của lớp vỏ nhỏ (5[mm]) nên bỏ qua
Vì trong lò nung liên tục nhiệt độ thay đổi theo từng vùng khác nhau nên phải tính riêng cho từng vùng, mỗi vùng đều có một lượng nhiệt mất riêng qua các thể xây.
𝑄4 = 𝑄4𝑠 + 𝑄4𝑛+𝑄4đ[W]
Trong đó:
Q4s = Qst + Qsn + Qsd [W] (vùng sấy) Q4ng = Qngt + Qngn + Qngd [W] (vùng nung) Q4dn = Qdnt + Qdnn + Qdnd [W] (vùng đồng nhiệt) Với:
s, ng, dn: Sấy, nung, đồng nhiệt t, n, d: Tường, nóc, đáy
Công thức tính nhiệt còn được viết dưới dạng sau:
Qt =α×(tw2 – tkk )×Ft [W] Trong đó:
α : hệ số trao đổi nhiệt đối lưu từ mặt ngoài thể xây và không khí xung quanh.
Tính cho vỏ lò bằng thép: α = 7 + 0,043×tw2 [W/ m2 K]
tkk : nhiệt độ không khí bao quanh lò, (tính cho mùa hè và mùa đông) có thể chọn tkk = 30[ C] tw2 : nhiệt độ ngoài mặt tường lò tiếp xúc với môi trường xung quanh [oC] Xác định tw2 :
Phương trình cân bằng nhiệt:
Qt = α×(tw2- Ft
Ft
0,043 ×tw2 × tkk× ×tw2 – tw1 –
Từ phương trình (1) với các thông số δi, λi, tkk , tw1 đã biết, ta xác định được tw2.
36
Các số liệu tính toán được trình bày trong bảng 3.4.
Q4n = Qnt + Qnn + Qnd [W]
Đặc điểm của nóc lò:
Nóc lò là nóc phẳng (nóc treo) nên quá trình tính nhiệt tương tự như tính nhiệt đo lường. Công thức tổng quát:
Qn = α× Fnóc× (tw2 – tkk )×Ft [W]
Trong đó:
Fnóc: Diện tích mặt ngoài của nóc lò, [m2] Fnóc= Lngoài × Bngoài [m2]
α : Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ( tính cho bề mặt gạch), [W/m2K]
α= 7,9 +0,053×tw2 [W/m2] (trên nóc lò không có vỏ thép bao ngoài) 1= caonhôm= 0,465+ 0,00052 × ttb1
2= diatômit= 0,145 + 0,0003×tw2
Bảng 3.4. Các thông số và kết quả tính toán dẫn nhiệt qua tường lò
NHỮNG THÔNG SỐ CƠ BẢN
GIÁ TRỊ CÁC THÔNG SỐ Ở MỖI VÙNG LÒ
Sấy Nung Đồng Nhiệt
tkk [0C] 30 30 30
ttbk [0C] 1025 1350 1325
tw1 [0C] 975 1300 1275
tw2 [0C] 88,3 110,8 109
ttb1 [0C] 739 983 964
ttb2 [0C] 503 665 653
ttb3 [0C] 267 348 342
1 [W / mK ] 0,849 0,976 0,966
2 [W / mK ] 0,191 0,216 0,214
3
[W / mK ] 0,225 0,249 0,247
1 [m] 0,234 0,234 0,234
2 [m] 0,117 0,117 0,117
37
3 [m] 0,117 0,117 0,117
[W/m2K] 10,797 11,764 11,687
𝐹𝑡 [m2] 35 72,72 10,81
𝑄𝑡 [W] 22031,28 69122,63 9980,68
Σ𝑄𝑡[W] 101134,488
Bảng 3.5. Các thông số và kết quả tính toán dẫn nhiệt qua nóc lò
NHỮNG THÔNG SỐ CƠ BẢN
GIÁ TRỊ CÁC THÔNG SỐ Ở MỖI VÙNG LÒ
Sấy Nung Đồng Nhiệt
tkk [0C] 30 30 30
ttbk [0C] 1025 1350 1325
tw1 [0C] 975 1300 1275
tw2 [0C] 118,85 150,37 147,86
ttb [0C] 503 665 653
ttb1 [0C] 739 983 964
ttb2 [0C] 267 348 342
1 [W /mK] 0,849 0,976 0,966
2 [W / mK ] 0,225 0,249 0,247
1 [m] 0,234 0,234 0,234
38
2 [m] 0,117 0,117 0,117
[W/m2K] 14,199 15,87 15,736
Fn [m2] 37,37 59 10,287
Qn [W] 47145,29 112706,04 19078,73
Qn [W] 178930,06
Do tính toán tổn thất nhiệt mất qua đáy lò rất phức tạp nên ta tính theo công thức thực nghiệm:
Qđáy= 0,15 Qtường= 0,15 101134,488= 15170,17 [W]
Vậy lượng nhiệt tổn thất do dẫn nhiệt ra môi trường là:
Q4= Qtường+Qnóc+Qđáy= 101134,488+178930,06+15170,17 = 295234,72 [W]
Q5 [W]
Khi lò làm việc, các cửa có thể mở một phần hoặc mở hoàn toàn để vào liệu, ra liệu.
Do đó có tổn thất bức xạ ra ngoài qua cửa.
Q FZ [W]
Trong đó:
Co: Hệ số bức xạ; Co= 5,67 [W/m2 K4]
Ttbk: Nhiệt độ trung bình của khí lò tại vùng có cửa, [K]
: Hệ số chắn, xác định theo chiều dày tường và kích thước cửa mở, Tra theo hình 61[2].
- Cửa vào liệu: Bvào= 2,7 [m]
Hvào= 0,3 [m] = 0,61 - Cửa ra liệu: Bra=0,3 [m]
Hra= 0,25 [m] = 0,43 F: Diện tích phần cửa mở, [m2] F= B H [m2]
Z: Số cửa cùng kích thước, cùng điều kiện làm việc. :
Hệ số thời gian mở cửa:
Giả thiết rằng, thời gian của một lần mở cửa = 20[s]
39
Số lần mở cửa trong 1 giờ là N, N được tính theo công thức:
N [lần/h]
Trong đó:
P: Công suất của lò; P= 16000[kg/h]
N: Số hàng phôi, n=1
G: khối lượng một phôi [kg/1phôi]
g= V = 0,1250,1252,57800= 304,7 [kg/1phôi]
Lượng nhiệt tổn thất do bức xạ qua cửa vào liệu và ra liệu là:
Q5=∑ 𝑄5 [W]
Q5= 5,67 +5,67
Q5= 13775,09 [W]
Trong thực tế, khi vận hành lò khí lò có áp suất dương nên có lượng nhiệt tổn thất do lọt sản phẩm cháy khi mở cửa.
Công thức tính: Q6= 0,28 Ck tk Vo [W]
Trong đó:
Ck.tk= ik: Là entanpy của sản phẩm cháy nơi cửa mở, được tra trong bảng : Hệ số thời gian mở cửa, tương tự như trên
Vo: Lượng khí lò lọt qua cửa khi mở ở điều kiện chuẩn.
Ta có: V
Với tk: Nhiệt độ khí lò tại chỗ mở cửa, [oC]
Với Vt: Lượng khí ló lọt qua cửa nằm:
Vt= H B Trong đó:
H: Chiều cao phần mở cửa B: Chiều rộng cửa
G: Gia tốc trọng trường; g= 9,81 [m/s2]
: Hệ số lưu lượng phụ thuộc vào chiều dày tường lò kích thước của cửa, chọn = 0,61.
Với:
40
kk: Khối lượng riêng của không khí ở điều kiện môi trường tkk= 30 [oC]
kk
k: Khối lượng riêng của khí lò ở nhiệt độ nơi mở cửa k [kg/m3]
Trong đó:
o= 1,312 [kg/m3] (xem chương 1) ikh: Entanpy của sản phẩm cháy (khí lò) nơi mở cửa.
ikh= 0,01 (CO2 ico2 H2O iH2O+ N2 iN2+ O2 iO2+ SO2iSO2) Bảng tính giá trị entanpy của khói
Khí CO2 N2 O2 H20 SO2
Thành phần [%]
12,72 75,91 3,2 8,1 0,12
i700 [kJ/m3] 1457,41 940,36 1005,24 1143,64 1417,64 i1300 [kJ/m3] 3010,58 1857,74 1966,05 2328,01 2632,44 Từ các thông số trên ta xác định được k , V , Vvào , nhiệt tổn thất theo khí lò khi mở quan sát được trình bày trong bảng 3.6.
Từ bảng III.6. Lượng nhiệt tổn thất do lọt sản phẩm cháy qua cửa là:
Q6 = ∑ 𝑄6𝑖 [W]
Q6= 149909,45+ 21282,25= 171191,69 [W]
Sản phẩm cháy qua kênh khói ra ống khói có nhiệt độ tương đối cao vì vậy gây ra tổn thất nhiệt:
Q7 = 0,28 Ck tk (BVn - ∑ 𝑉0 ψ) [W]
Trong đó:
Cktk=ik: Entanpy của sản phẩm cháy ở nhiệt độ ra khỏi lò tk= 700 [0K]
ik=i700= 1025,71 [kJ/m3]
Vn : Lượng sản phẩm cháy tạo ra khi đốt cháy 1kg dầu FO;
Vn= 12,011 [m3/kg]
∑ 𝑉0 : Tổng sản phẩm cháy đã lọt qua các cửa. Vì lò liên tục nên ta có công thức:
∑ 𝑉0 = ∑ 𝑉0 sấy+∑ 𝑉0 nung+∑ 𝑉0 đn [m3/h]
∑ 𝑉0 = (1799,9 + 127,9) 0,29= 559[m3/h]
Vậy: Q7= 0,28 1025,71 (12,011B-559) Q7= 3449,55 B – 160544,1 [W]
41
Bảng 3.6. Tổn thất nhiệt do bức xạ và lọt sản phẩm cháy qua cửa khi mở NHỮNG THÔNG
SỐ CƠ BẢN
VÙNG SẤY VÙNG ĐỒNG NHIỆT
Cửa vào liệu Cửa ra liệu
tk [0C] 700 1300
Tk [0C] 937 1573
F [m2] 0,71 0,075
0,29 0,29
0,61 0,43
ikh [kJ/m3] 1025,71 2047,79
k [kg/m3] 0,363 0,229
Vt [m3/s] 1,782 0,205
Vo [m3/s] 1799,9 127,99
Q6i [W] 149909,45 21282,25
Q6i [W]
Phôi được nung một mặt. Phôi trượt trên hai hàng gạch nên không có tổn thất nhiệt do nước làm mát các ống đỡ phôi. Ta chỉ sử dụng nước để làm nguội của cửa vào liệu và ra liệu để tránh cửa bị cong vênh. Lượng nhiệt mất do nước làm mát nguội tại đây chỉ chiếm khoảng 5% tổng lượng nhiệt thu.
Q8 = 0,05 Qthu [W]
Trong đó:
Qthu: Tổng các lượng nhiệt thu Qthu= Qc+Qkk+Qdầu+ Qtoả [W]
Qthu= 10231 B+ 1276B+(67B + 126560) Qthu = 11574 B + 126560[W]
Vậy: Q8= 0,5 (11574B+126560) = 578,7 B + 6328[W]
Trên cơ sở cân bằng lượng nhiệt thu bằng lượng nhiệt chi, ta xác định được lượng tiêu hao dầu FO.
Trong đó:
42
∑ Qchi= Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8
∑ Qchi= 3784256 + 204,3 x B + 51,16 x B + 295234,72 + 13775,09 + 171191,69 + ( 3449,55 x B -160544,1) + 578,7 x B + 6328
= 4283,71 x B + 3844541,4 Mà: Qthu= ∑ 𝑄𝑐ℎ𝑖
11574 B + 126560= 4283,71 x B + 3844541,4 Vậy ta có:
B= 510 [kg/h]
Sau khi đã xác định được lượng dầu tiêu hao (B [kg/h]), ta tính các giá trị nhiệt chi và thu. Các giá trị này được trình bày trong bảng 3.7.
Bảng 3.7. cân bằng nhiệt của lò
NHIỆT THU NHIỆT CHI
[W] [%] [W] [%]
1 Nhiệt do đốt
cháy dầu FO 5217810 86,54 1 Nhiệt để nung
kim loại 3784256 60,115 2 Nhiệt do nung tr
ước không khí
650760 10,793 2 Nhiệt mất do cháy không hoàn
104193 1,655
43
toàn hoá học 3 Nhiệt do nung tr
ước dầu FO
34170 0.567 3 Nhiệt mất do cháy không hoàn
toàn cơ học
26091,6 0,414
4 Nhiệt toả do phản ứng ôxy hoá (cháy sắt)
126560
2,09 4
Nhiệt mất do dẫn nhiệt qua thể xây
lò
295234,72 4,69 5
Nhiệt mất do bức xạ qua cửa khi mở
cửa 13775,09 0,219
6 Nhiệt mất do sản phẩm cháy lọt qua cửa
171191,69 2,719
7 Nhiệt mất do sản phẩm cháy đi vào kênh khói
1598726,4 25,397
8 Nhiệt mất do nước làm mát các cửa vào và ra liệu
301465 4,789
Ta thấy sai số là rất nhỏ nên có thể chấp nhận kết quả tính toán trên.
2.3. Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn và các chỉ tiêu kỹ thuật của lò
2.3.1. Suất tiêu hao nhiên liệu: b [kg/kg]
b [kg/kg]
Trong đó:
B: Lượng tiêu hao dầu FO; B= 510 [kg/h]
Qt: Nhiệt trị thấp của dầu FO; 𝑄𝑡𝑑= 36539,4 [kJ/kg]
P: Năng suất lò; P= 16000[kg/h]
29300: Nhiệt trị của nhiên liệu chuẩn
b [kg/kg]
44
b [kg/kg]
b [kg/kg]
2.3.2. Hệ số sử dụng nhiên liệu có ích nl [%] ;
nl 100 [%]
Trong đó:
Q1: Lượng nhiệt để nung kim loại; Q1=3784256 [W]
Qtoả: Lượng nhiệt toả ra do phản ứng oxy hoá; Qtoả = 126560 [W]
Qc: Lượng nhiệt toả ra do đốt cháy dầu FO; Qc= 5217810 [W]
Vậy: nl
2.3.3. Hệ số sử dụng nhiệt có ích ci
ci Trong đó
Q1: Lượng nhiệt để nung kim loại; Q1=3784256 [W]
Qtoả: Lượng nhiệt toả ra do phản ứng oxy hoá; Qtoả = 126560 [W]
∑ 𝑄𝑐ấ𝑝: Lượng nhiệt cấp cho lò
∑ 𝑄𝑐ấ𝑝= Qc+Qkk+Qdầu = 5217810+650760+34170= 5902740[W]
ci
2.3.4. Hệ số sử dụng nhiệt của lò
t
45
Trong đó:
Qvào: Lượng nhiệt đưa vào lò Qvào= ∑ 𝑄𝑐ấ𝑝= Qc+Qkk+Qdầu Qvào= 5902740 [W]
Qra= Lượng nhiệt sản phẩm cháy mang theo qua kênh khói ra ống khói. Qra= Q7= 1598726,44 [W]
Suy ra: t
Các kết quả tính toán nhiệt của lò được trình bày ở bảng 3.8.
Bảng 3.8. các chỉ tiêu kĩ thuật của lò
CÁC CHỈ TIÊU CỦA LÒ Kí Hiệu Giá Trị Đơn Vị
1 Lượng tiêu hao dầu FO B 510 [kg/h]
2 Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn b1 0,0397 [kg/kg]
3 Suất tiêu hao dầu FO b2 0,032 [kg/kg]
4 Hệ số sử dụng nhiên liệu có ích nl 70,1 [%]
5 Hệ số sử dụng nhiệt có ích ci 61,19 [%]
6 Hệ số sử dụng nhiệt của lò t 73 [%]
46