MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương 1: CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA LỊ CƠNG NGHIỆP 1.1 Khái niệm, phân loại lị cơng nghiệp 1.1.1 Khái niệm .5 1.1.2 Phân loại lị cơng nghiệp 1.2 Các đặc trưng lị cơng nghiệp 1.2.1 Nhiệt độ, chế độ nhiệt độ lò .6 1.2.2 Chế độ nhiệt lò 1.2.3 Cơng suất nhiệt lị 1.2.4 Năng suất lò .7 1.2.5 Các hiệu suất 1.2.6 Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn Chương 2: CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA LỊ CƠNG NGHIỆP .10 2.1 Chế độ xạ 10 2.1.1 Chế độ xạ phân bố 10 2.1.2 Chế độ xạ trực tiếp 11 2.1.3 Chế độ xạ gián tiếp 12 2.2 Chế độ làm việc đối lưu 13 2.2.1 Trao đổi nhiệt đối lưu chất lỏng 13 2.2.3 Lĩnh vực sử dụng chế độ trao đổi nhiệt đối lưu 17 2.3 Chế độ làm việc theo lớp 18 2.3.1 Chế độ lớp chặt 18 2.3.2 Chế độ lớp sôi .20 2.3.3 Chế độ lớp lơ lửng 24 Chương 3: NHIÊN LIỆU VÀ THIẾT BỊ ĐỐT NHIÊN LIỆU 25 3.1 Thiết bị đốt nhiên liệu rắn 25 3.1.1 Sự cháy nhiên liệu rắn 25 3.1.2 Các loại buồng đốt 25 3.1.3 Tính tốn buồng đốt .28 3.2 Thiết bị đốt nhiên liệu khí .30 3.2.1 Đặc điểm chung phân loại thiết bị 30 3.2.2 Mỏ đốt lồng ống 32 3.2.3 Mỏ đốt tự hút 30 3.3 Thiết bị đốt nhiên liệu lỏng .34 3.3.1 Đặc điểm chung phân loại thiết bị 34 3.3.2 Mỏ phun thấp áp 35 3.3.3 Mỏ phun cao áp 37 Chương : VẬT LIỆU XÂY, THỂ XÂY VÀ KHUNG LÒ 38 4.1 Vật liệu xây lò 38 4.1.1 Các tính chất chung 38 4.1.2 Lựa chọn vật liệu xây lò .39 4.2 Các thể xây lò 40 4.2.1 Các cấp xây lò 40 4.2.2 Kết cấu thể xây 42 4.3 Khung lò .45 4.3.1 Khung lò vỏ lò 45 4.3.2 Tính khung lị 46 Chương 5: HỆ THỐNG THỐT KHĨI VÀ CẤP GIĨ CHO LỊ 48 5.1 Cấu trúc hệ thống khói cấp gió cho lị .48 5.1.1 Kỹ thuật bố trí kênh khói, cống khói đường ống dẫn 48 5.1.2 Tính kích thước hệ thống khói 49 5.1.3 Tính kích thước đường ống cấp gió .50 5.2 Tính tổn thất áp suất hệ thống khói cấp gió 50 5.2.1 Hệ thống khói 50 5.2.2 Đường ống dẫn khơng khí khí đốt 52 5.3 Ống khói quạt gió 52 5.3.1 Ống khói .52 5.3.2 Quạt gió 53 CHƯƠNG 6: TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT VÀ TIÊU HAO NHIÊN LIỆU 55 6.1 Tính khoản cân nhiệt 55 6.1.1 Các khoản nhiệt thu 55 6.1.2 Các khoản nhiệt chi 56 6.2 Lượng tiêu hao nhiên liệu tiêu kỹ thuật nhiệt .58 6.2.1 Lượng tiêu hao nhiên liệu 58 6.2.2 Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn .58 6.2.3 Hệ số sử dụng nhiên liệu có ích 58 6.3 Bảng cân nhiệt lò .59 Chương 7: MỘT SỐ LỊ CƠNG NGHIỆP THƠNG DỤNG 61 7.1 Lò cao 61 7.1.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc .61 7.1.2 Chế độ nhiệt 62 7.2 Lò luyện thép .63 7.2.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc 63 7.2.2 Chế độ nhiệt 65 7.3 Lò ống quay .66 7.3.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc .66 7.3.2 Chế độ nhiệt 67 Chương 8: LÒ ĐIỆN 68 8.1 Giới thiệu chung lò điện .68 8.1.1 Đị nh n ghĩ a 68 8.1.2 Ưu điểm lò điện so với lò sử dụng nhiên liệu 68 8.2 Giới thiệu chung lò điện trở 68 8.2.1 Nguyên lý làm việc lò điện trở 68 8.2.2 Những vật liệu làm dây nung 69 8.2.3 Tính toán dây nung .70 8.2.4 Phân loại lò điện trở .75 8.3 Cấu tạo lò điện trở 76 8.3.1 Những yêu cầu cấu tạo lò điện trở 76 8.3.2 Một số kết cấu lị điện trở cơng nghiệp .77 8.3.3 Cấu tạo lò điện trở 81 Tài liệu tham khảo 83 LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình lị cơng nghiệp – lị điện giáo trình nội bộ, phục vụ giảng dạy cho hệ cao đẳng đại học chuyên ngành Kỹ thuật nhiệt lạnh trường Đại học Công nghiệp – Hà Nội Môn học trang bị kiến thức cấu trúc, nguyên lý hoạt động chất q trình xảy lị cơng nghiệp, lò điện để vận dụng vào thực tế sản xuất nhà máy luyện kim, gốm sứ, xử lý chất thải rắn Trong trình biên soạn giáo trình chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận đóng góp ý kiến đồng nghiệp bạn đọc để giáo trình ngày hồn thiện Thư từ góp ý xin gửi địa chỉ: Bộ môn Kỹ thuật nhiệt – Khoa Điện – Trường Đại học công nghiệp – Hà Nội Xin chân thành cám ơn! Tác giả Chương 1: CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA LỊ CƠNG NGHIỆP 1.1 Khái niệm, phân loại lị cơng nghiệp 1.1.1 Khái niệm Lị cơng nghiệp thiết bị nhiệt tạo mơi trường có nhiệt độ cao để thực q trình cơng nghệ nung nóng, nấu chảy, sấy Trong sản xuất, lị cơng nghiệp thường gặp như: Lị cao, lị nung, lị luyện thép để cán, rèn dập, lò nấu thủy tinh, lò ống quay sản xuất ximăng, lò sấy, lò điện Trong lị cơng nghiệp, lượng nhiệt cấp cho lị nhiệt toả đốt cháy nhiên liệu nhiệt toả từ vật liệu gia công nhiệt điện biến đổi thành nhiệt Sự trao đổi nhiệt, cấu trúc lò, việc sử dụng nhiên liệu với thiết bị đốt chế độ nhiệt nhiệt độ phù hợp yêu cầu công nghệ nhân tố có ảnh hưởng nhiều tới: - Chất lượng sản phẩm; - Năng suất lò với 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 lị cơng nghiệp Người ta chia lị cơng nghiệp thành nhóm lị theo đặc điểm sau: Lị cơng nghiệp theo đặc điểm nguồn nhiệt Dựa vào dạng lượng biến đổi thành nhiệt lị cơng nghiệp phân làm loại: a Các lị nhiên liệu Đây lị có sử dụng nhiên liệu Nhiệt lượng sinh lò trình đốt cháy nhiên liệu chúng cịn gọi lị có lửa b Các lò điện Đây lò sử dụng điện Theo nguyên lý biến đổi điện thành nhiệt năng, lò điện phân thành lò điện trở, lò điện hồ quang, lò điện cảm ứng, lò nung điện mơi lị Plazma (phần trình bày kỹ chương 8) c Các lị tự phát nhiệt Đây lị khơng cần cung cần lượng từ bên ngồi Trong lị nhiệt tỏa từ thân vật liệu gia cơng nhiệt Ví dụ lị luyện thép LD, q trình cơng nghệ, người ta rót vào lị gang lỏng có chứa từ đến 4% cacbon Khi thổi gió vào gang lỏng xảy phản ứng hóa học có tỏa nhiệt oxy với cacbon [ C ] + O2 = CO2 + Q Lò công nghiệp theo đặc điểm công nghệ Phụ thuộc vào tính chất q trình gia cơng nhiệt vật liệu người ta phân thành loại: a Các lò nấu chảy Trong lị vật liệu gia cơng nấu chảy Ví dụ lị nấu thủy tinh, lị nấu chảy men, lo nấu chảy kim loại đen để đúc hợp kim hố b Các lị nung Trong lị vật liệu gia cơng nung nóng khơng hóa lỏng Ví dụ lị nung thép để rèn, để cán; lò nhiệt luyện kim loại (lị tơi, ủ, ram) Lị cơng nghiệp theo chế độ nhiệt Theo đặc điểm trình trao đổi nhiệt từ nguồn nhiệt tới bề mặt vật gia công, có tham gia trao đổi nhiệt tường lị, người ta phân lị cơng nghiệp thành nhóm: a Các lò làm việc chế độ xạ nhiệt Trong lò trao đổi nhiệt chủ yếu xạ nhiệt, nhiệt độ lò thường ≥ 600oC Các lị lại chia thành nhóm: Bức xạ phân bố đều, xạ trực tiếp xạ gián tiếp Thí dụ lị nung nhiệt luyện, lò nung xưởng cán rèn b Các lò làm việc chế độ đối lưu Trong lò trao đổi nhiệt chủ yếu trao đổi nhiệt đối lưu, nhiệt độ lò nhỏ 600oC Thí dụ lị sấy, lị muối, lị nung gió c Các lị làm việc chế độ theo lớp Trong lò vật liệu gia công nhiệt dạng cục, dạng hạt bụi chất khơng gian làm việc lị Khí nóng chuyển động hạt liệu tồn đồng thời ba dạng trao đổi nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu, xạ Ở chế độ theo lớp có dạng: - Lớp chặt: vật liệu nằm thành lớp, chất đầy khơng gian lị chuyển động từ xuống Khí nóng thổi từ lên, chuyển động qua khe hở hạt liệu Ví dụ: lị cao luyện gang, lị đứng nấu gang - Lớp sôi: hạt liệu xáo trộn mạnh mẽ trạng thái giống sôi tác động dịng khí có tốc độ cao Ví dụ: lị nung manhêdit, oxyt kẽm; - Lớp lơ lửng: Ở vật liệu nghiền nhỏ lơ lửng khơng gian lị tác dụng thổi dịng khí Ví dụ: lị nung quặng sunfua, lị nung dung dịch sunfua kẽm Lị cơng nghiệp theo đặc điểm cấu trúc Dựa vào hình dạng, cấu trúc có loại lị như: lị buồng, lò bể, lò ống quay, lò hầm, lò nung liên tục 1.2 Các đặc trưng lị cơng nghiệp Để đánh giá, so sánh cấu tạo, chế độ nhiệt, chất lượng thiết bị cần xét đến thông số kỹ thuật kinh tế đặc trưng Đối với LCN có thơng số sau: 1.2.1 Nhiệt độ, chế độ nhiệt độ lò Nhiệt độ lị Đây nhiệt độ trung bình khơng gian làm việc lị Nhiệt độ mang tính quy ước, thường nhỏ nhiệt độ nguồn nhiệt lớn nhiệt độ tường, lị; ký hiệu: tk Tk ; tlò Tlò Nhiệt độ lò phụ thuộc vào nhiệt độ cháy lý thuyết nhiên liệu, phụ tải nhiệt Cấu trúc cách nhiệt lị; xác định gần theo cơng thức: tlò = η.tlt , oC (1.1) Ở đây: tlt - nhiệt độ cháy lý thuyết nhiên liệu, oC η - hệ số nhiệt độ, phụ thuộc vào cấu trúc chất lượng cách nhiệt lị; Thường có giá trị từ 0,65 đến 0,85 tùy thuộc vào kiểu lò [1] Chế độ nhiệt độ lò Phụ thuộc vào công nghệ gia công vật liệu Nhiệt độ lị thay đổi theo thời gian, theo khơng gian làm việc lò thay đổi nhiệt độ lò theo thời gian gọi chế độ nhiệt độ lị: nhiệt độ khơng thay đổi tlị = const, ta có chế độ nhiệt độ lị ổn định Khi nhiệt độ lò thay đổi theo thời gian tlò = f(τ) chế độ nhiệt độ không ổn định 1.2.2 Chế độ nhiệt lị Trong q trình gia công vật liệu, phụ thuộc vào công nghệ mà lượng nhiệt cung cấp cho lị thay đổi thời điểm khác (còn gọi phụ tải nhiệt) Sự thay đổi phụ tải nhiệt theo thời gian gọi chế độ nhiệt lò, Q = f(τ) Khi phụ tải nhiệt không thay đổi Q = const ta có chế độ nhiệt ổn định; cịn phụ tải nhiệt thay đổi chế độ nhiệt không ổn định Chế độ nhiệt có quan hệ mật thiết với chế độ nhiệt độ lò Để đảm bảo chế độ nhiệt độ theo yêu cầu công nghệ, cần tiến hành tính tốn cấp nhiệt dựa sở tính cân nhiệt 1.2.3 Cơng suất nhiệt lị Cơng suất nhiệt lị phụ tải nhiệt lớn mà lị tiếp nhận đơn vị thời gian; ký hiệu Q P, đơn vị đo kW 1.2.4 Năng suất lị Đây lượng vật liệu gia cơng nhiệt lị tính đơn vị thời gian, ký hiệu G ; đơn vị đo: t/h kg/h hay t/ngày kg/ngày Năng suất lò phụ thuộc vào nhiệt độ buồng lị, nhiệt độ khói khỏi lị, cường độ, đặc điểm q trình truyền nhiệt từ khí lò tới vật liệu cấu trúc lò Khi so sánh lị khác cịn có khái niệm suất riêng lò (cường độ đáy lò) Đây lượng sản phẩm gia cơng tính 1m2 diện tích đáy lị đơn vị thời gian; ký hiệu “g” ; đơn vị kg/m2.h 1.2.5 Các hiệu suất Hiệu suất sử dụng nhiệt có ích Đây tỷ số lượng nhiệt có ích để gia cơng vật liệu tồn lượng nhiệt cung cấp cho lị η óí = óí ấ 100% (1.2) Ở đây: Qcó ích bao gồm nhiệt để gia công vật liệu QVL, kJ/h ; Nhiệt để gia công cho xỉ cơng nghệ có tạo xỉ QX, kJ/h ; Nhiệt phản ứng hóa học QPƯHH, kJ/h QΣcấp bao gồm lượng nhiệt tỏa đốt cháy nhiên liệu QC, kJ/h; Lượng nhiệt vật lý khơng khí nung nóng QKK, kJ/h; Lượng nhiệt vật lý nhiên liệu nung nóng QNL, kJ/h Cụ thể lượng nhiệt trình bày chương Hiệu suất sử dụng nhiệt Đây tỷ số tổng lượng nhiệt có ích lượng nhiệt tổn thất khu vực lị với tồn lượng nhiệt cung cấp cho lị óí η = ổ ấ ự ị 100% (1.3) ấ Q óí +Q ổ ấ ự ị =Q ấ −Q ó ả ố ó Ở đây: Qtổn thất khu vực lò - lượng nhiệt tổn thất tất dạng (dẫn nhiệt qua tường, xạ qua cửa mở, nước làm mát ), kJ/h Hiệu suất sử dụng nhiên liệu Đây tỷ số lượng nhiệt có ích để gia cơng vật liệu Qcó ích lượng nhiệt tỏa đốt cháy nhiên liệu QC η = óí 100% (1.4) So sánh cơng thức (1.2) (1.4) ta thấy: Khi khơng nung nóng trước khơng khí, QKK = khơng nung nóng trước nhiên liệu, QNL = ηcó ích = ηnl 1.2.6 Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn Do việc sử dụng loại nhiên liệu khác dạng nhiên liệu lại có nhiệt trị khác nên để đánh giá so sánh lị cơng nghiệp phương diện sử dụng nhiên liệu người ta dùng đặc trưng bản: Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn, ký hiệu: b Đây lượng nhiên liệu tiêu chuẩn để gia công đơn vị khối lượng vật liệu b= B.QT , 29300.G kg nhiên liệu tiêu chuẩn / kg vật liệu (1.5) Ở đây: B - lượng tiêu hao nhiên liệu, kg/h m3/h; QT - nhiệt trị thấp nhiên liệu, kJ/kg kJ/m3 29300 - nhiệt trị kg nhiên liệu tiêu chuẩn (quy ước), kJ/kg G - suất lò, kg/h Theo [1], giá trị hiệu suất sử dụng nhiên liệu giá trị suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn lị cơng nghiệp sau: Loại lị ηnl , % b , kg/kg Lò nung liên tục 30 ÷ 50 0,05 ÷ 0,15 Lò buồng để cán rèn 15 ÷ 30 0,1 ÷ 0,25 Lị buồng để nhiệt luyện ÷ 20 0,1 ÷ 0,50 Chương 2: CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA LỊ CƠNG NGHIỆP Q trình trao đổi nhiệt khơng gian làm việc lị chia làm thành phần: - Q trình trao đổi nhiệt bên ngồi: Giữa lửa, khí lị bề mặt tường, lị với bề mặt vật liệu gia cơng nhiệt; - Q trình trao đổi nhiệt bên trong: Từ bề mặt vào tâm vật liệu Phụ thuộc vào công nghệ, lị cơng nghiệp có chế độ làm việc: chế độ làm việc xạ, chế độ làm việc đối lưu, chế độ làm việc trạng thái lớp 2.1 Chế độ xạ Đối với lị làm việc nhiệt độ cao (hơn 600oC) Q trình trao đổi nhiệt bên ngồi xạ nhiệt đóng vai trị định Cường độ trao đổi nhiệt phụ thuộc nhiều vào yếu tố: tính chất lửa, số lượng cách bố trí mỏ đốt miệng kênh khói Bề mặt tường lò nhận nhiệt xạ từ lửa sau xạ tới vật liệu gia cơng Ở chế độ nhiệt ổn định, cho hệ số góc xạ tương hỗ  = 1, giải hệ phương trình trao đổi nhiệt giữa: lửa – vật liệu – tường lị, ta có phương trình cân sau qV = QVN + QT (1 - εN) - QV (2.1) qT = QTN + QV (1- εN) - QT (2.2) Ở đây: qV, qT - dòng nhiệt tổng hợp vật liệu, tường lò; QVN , QTN - dòng nhiệt từ lửa tới vật liệu, tường lò; QV , QT - dòng nhiệt hiệu ứng với vật liệu tường lò; εN - Là độ đen lửa Phụ thuộc tương quan QVN QTN người ta chia chế độ làm việc xạ làm chế độ: a - chế độ xạ phân bố khi: QVN = QTN b - chế độ xạ trực tiếp khi: QVN > QTN c - chế độ xạ gián tiếp khi: QVN < QTN 2.1.1 Chế độ xạ phân bố Sự truyền nhiệt Ở chế độ xạ phân bố QVN = QTN , trường nhiệt độ độ đen lửa phân bố đối xứng phía vật liệu tường lò Chọn nhiên liệu phương pháp đốt Để tạo chế độ xạ phân bố cần chọn phương pháp đốt nhiên liệu tạo nhiệt độ, độ sáng lửa (εN) có giá trị cao đồng I - dịng điện tính ampe (A); R - điện trở tính ơm (Ω); T - thời gian tính giây (s) Từ cơng thức ta thấy điện trở R đóng vai trò: - Vật nung: trường hợp gọi nung trực tiếp - Dây nung (nung gián tiếp): Khi dây nung nung nóng truyền nhiệt cho vật nung xạ, đối lưu, dẫn nhiệt phức hợp Trường hợp gọi nung gián tiếp Trường hợp thứ gặp dùng để nung vật có hình dạng đơn giản (tiết diện chữ nhật, vng trịn) Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều thực tế cơng nghiệp Vì nói đến lị điện trở khơng thể khơng đề cập đến vật liệu làm dây nung, phận làm phát nhiệt lò 8.2.2 Những vật liệu làm dây nung Yêu cầu vật liệu làm dây nung Trong lò điện trở, dây nung phần tử biến đổi điện thành nhiệt thông qua hiệu ứng Joule Dây n u n g cần phải làm từ vật liệu thoả mãn yêu cầu sau: - Chịu nhiệt độ cao; - Độ bền khí lớn; - Có điện trở suất lớn (vì điện trở suất nhỏ dẫn đến dây dài khó bố trí lị tiết diện dây nhỏ, khơng bền); - Hệ số nhiệt điện trở nhỏ (vì điện trở thay đổi theo nhiệt độ, đảm bảo cơng suất lị); - Chậm hố già (tức dây đốt bị biến đổi theo thời gian, đảm bảo tuổi thọ lị) Vật liệu làm dây nung là: - Hợp kim: Cr-Ni, Cr-Al Với lị có nhiệt độ làm việc 1200oC; - Hợp chất: SiC, MoSi2…Với lị có nhiệt độ làm việc 12000C ÷ 1600oC; - Đơn chất: Mo, W, C (graphit)…Với lị có nhiệt độ làm việc cao 1600oC Bảng 8.1: Một vài thông số vật liệu làm dây nung lị điện trở Thành phần hóa học (%) Vật liệu Còn lại Fe chất khác Cr Ni Al SiC SiO2 Nhiệt độ làm việc max (oC) Hệ số nhiệt điện trở (.10-3/độ) Điện trở suất 10-6Ωm Cr – Ni 20 - 23 75 -78 1100 0,035 1,15 Cr – Ni 15 - 18 55 - 61 1000 0,1 1,10 Cr –Al 12 - 15 3-5 850 1,26 Cr –Al 23 - 27 4-6 1200 1,25 1500 (1000 - 2000) Graph 2800 - 13 Mo 2000 5,1 0,052 Ti 2500 4,0 0,15 W 2800 4,3 0,05 SiC 94,4 3,6 Dây nung kim loại Để đảm bảo yêu cầu dây nung, hầu hết lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại chế tạo hợp kim crôm - nhôm Và crơm - niken hợp kim có điện trở lớn Còn kim loại nguyên chất dùng để chế tạo dây nung kim loại ngun chất thường có tính chất khơng lợi cho việc chế tạo dây nung như: + Điện trở suất nhỏ; + Hệ số nhiệt điện trở lớn; + Bị ơxy hố mạnh mơi trường khí bình thường Dây nung kim loại thường chế tạo dạng tròn dạng băng Dây nung phi kim loại Dây nung phi kim loại dùng phổ biến SiC, grafit than 8.2.3 Tính tốn dây nung Xuất phát từ suất lị ta tính cơng suất lò tiêu thụ từ lưới điện Năng suất lò: A= M , kg/s t (8.1) Trong đó: M - khối lượng vật gia nhiệt (kg); t – thời gian gia nhiệt (s) Nhiệt lượng hữu ích cần cấp cho vật gia nhiệt: Qhi = M.C.(t2o -t1o), (J) (8.2) Trong đó: C - Nhiệt dung riêng trung bình vật gia nhiệt khoảng nhiệt độ, (t2o t1 ), [J/kg.độ]; o t10 , t20 - Nhiệt độ lúc đầu sau gia nhiệt vật gia nhiệt (0 C) Công suất hữu ích lị: = A.C.(t20 -t10) , (W) Phi = (8.3) Cơng suất lị: Plị = , [W] (8.4) Trong đó: η - hiệu suất lị Thơng thường lị điện trở có hiệu suất η = 0,7 ÷ 0,8 Công suất đặt thiết bị: P = k.Plị , (W) (8.5) Trong đó: k - hệ số dự trữ, tính đến tình trạng điện áp lưới bị tụt thấp, dây hoá già mà điện trở tăng lên k = 1,2 ÷ 1,3 lị làm việc liên tục; k = 1,4 ÷ 1,5 lị làm việc theo chu kỳ Từ cơng suất P, tính gần mật độ cơng suất dây đốt pha Đó khả cấp nhiệt dây đốt đơn vị thời gian đơn vị diện tích bề mặt dây Wdd = P , W/m2 m.Fdd (8.6) Trong đó: m – số pha Fdd - diện tích bề mặt (diện tích xung quanh) dây đốt pha [m2] Từ cơng suất lị, tính kích thước dây nung cần trang bị cho lị Với lị có số pha đối xứng, công suất pha là: Pph = P/m , W (8.7) Trên quan hệ toả nhiệt, công suất dây n u n g cấp nhiệt qua diện tích xung quanh Fdd nên: Pph = Wdd Fdd = WddLC Suy ra: L= (8.8) Trong đó: L – chiều dài dây nung [m]; C – chu vi tiết diện dây nung [m] Trên quan hệ thơng số điện thì: U Pph = R ph ph U   ph L S U P Suy ra: L = ph ph S (8.9)  Trong đó: S – diện tích tiết diện dây nung, m2 Cân (8.8) (8.9), có: CS =  P ph U ph W (8.10) dd Vế trái (8.10) thơng số kích thước dây nung Thừa số đầu vế phải thông số điện Thừa số sau vế phải nói lên quan hệ nhiệt dây Dây nung dùng lò điện trở có tiết diện trịn hay chữ nhật kích cỡ bảng 8.2 Bảng 8.2: Kích thước dây đốt theo nhiệt độ làm việc lị Kích thước dây nung (m.m) Nhiệt độ làm việc Dây tròn, mm Dây chữ nhật, mm (đường kính d) (kích thước a*b), a/b = m < 300 8*1 300 – 600 10*1 600 – 800 3-4 15*1,5 800 – 1000 4-5 20*2 1000 - 1100 6-7 25*2 1100 - 1200 7-8 25*3 lò (oC) Với dây tròn: C = πd; S = πd2/4 Thay vào (1.10) tìm d, có : d= 4 P W U ph dd , m ph Với dây chữ nhật: C = (a +b ) =2b (m +1) S = ab = mb2 Thay vào (8.10) ta có: (8.11) b=  P ph 2m(m  1)W dd U ph , [m] (8.12) a = mb; thường m = ÷ 15 Chiều dài dây tìm (8.9) Khi bố trí dây lị, dây uốn xoắn trịn (hình 8.1a) dây trịn uốn dích dắc (hình 8.1b) dây chữ nhật hay trịn a) b) Hình 8.1 Bố trí dây điện trở lị Khi uốn xoắn trịn, đường kính uốn tuỳ theo độ bền dây đốt Thường D = (4 ÷ 10)d Bước xoắn S ≥ 2d Khi uốn zích zắc, kích thước tuỳ thuộc độ bền dây nung Thường A ≥ 10a, S ≥ 2b Đối với dây tròn S ≥ 5d Trong lị có nhiệt độ làm việc 7000C, việc truyền nhiệt từ dây nung đến vật gia nhiệt chủ yếu tượng dẫn nhiệt đối lưu Trong lị có nhiệt độ cao 7000C việc truyền nhiệt chủ yếu xạ Để dễ dàng nghiên cứu phân tích, ta giả thiết tổn thất nhiệt qua vỏ lò dây nung mỏng bao kín vật gia nhiệt, nghĩa coi diện tích toả nhiệt dây diện tích xung quanh vật gia nhiệt Trong điều kiện đó, phương trình trao đổi nhiệt xạ dây nung (lí tưởng) vật gia nhiệt là: 4       T T dd v   P  C S  qd       F dd , W  100   100   Trong đó: P - cơng suất lị, W; CS - khả xạ vật đen tuyệt đối; CS = 5,7 W/m2.K4 Tdd – Nhiệt độ dây đốt, K; Tv – Nhiệt độ vật gia nhiệt, K; (8.13) εqd – Hệ số xạ nhiệt qui đổi;  qd =    dd 1 v Trong : εdd, εv - Các hệ số xạ nhiệt (độ đen) vật liệu làm dây nung vật liệu làm vật gia nhiệt Từ (8.13) xác định mật độ công suất dây nung: W = =C ε = Hay: , − (8.14) Với: W = C − , (8.15) WS - gọi mật độ công suất trao đổi nhiệt hai vật đen tuyệt đối Giá trị WS cho theo đồ thị (hình 8.2) phụ thuộc vào nhiệt độ dây đốt vật gia nhiệt Hình 8.2 Đồ thị mật độ cơng suất WS dây đốt có độ đen tuyệt đối Trong điều kiện làm việc thực lị tranh mơ tả q trình phức tạp Dây khơng bao kín vật gia nhiệt, nhiệt tổn thất qua vách lò, thành lò trao đổi nhiệt với vật gia nhiệt… Các yếu tố đề cập đến qua hệ số xạ có hiệu lực dây đốt α mật độ công suất cho phép là: = , (8.16) Sau số giá trị α để tham khảo: - Dây xoắn tròn đặt rãnh nửa kín vách lị α = 0,16 ÷ 0,24; - Dây xoắn tròn đặt ống sàn lị α = 0,3 ÷ 0,36; - Dây dích dắc hay α = 0,6 ÷ 0,72; - Dây chữ nhật uốn dích dắc α = 0,38 ÷ 0,44 Khi tính kích thước dây đốt pha, tính nhanh qua điện trở dây: U R  P ph dd ph Rồi lựa chọn dây có tiết diện chế tạo sẵn Sdd xác định độ dài: L dd R  dd  S dd  U ph S dd P  ph dd dd Sau kiểm tra mật độ cơng suất dây nung: W dd  P F ph  W cp dd Nếu Wdd > Wcp cần tăng tiết diện độ dài dây Khi tính chọn dây nung cho lị có nhiệt độ làm việc 7000C khơng nên dùng dây trịn có đường kính 3mm dây chữ nhật dày 1,5mm 8.2.4 Phân loại lò điện trở Lò điện trở thiết bị biến đổi điện thành nhiệt thông qua dây nung (dây điện trở) Từ dây nung, qua xạ, đối lưu truyền nhiệt dẫn nhiệt, nhiệt truyền tới vật cần gia nhiệt Lò điện trở thường dùng để nung, nhiệt luyện nấu chảy kim loại màu hợp kim màu… Phân loại lị điện trở có nhiều cách: Theo nhiệt độ làm việc lò - Lò nhiệt độ thấp (t0 < 6500C); - Lị nhiệt độ trung bình (t0 = 6500C ÷ 12000C); - Lị nhiệt độ cao (t0 > 12000C) Theo nơi dùng - Lò dùng cơng nghiệp; - Lị dùng phịng thí nghiệm; - Lị dùng gia đình… Theo đặc tính làm việc - Lò làm việc liên tục; - Lò làm việc gián đoạn Theo kết cấu lò - Lò buồng; - Lò giếng, lò chụp, lò bể… Theo mục đích sử dụng - Lị tơi; - Lò ram; - Lò ủ; - Lò nấu chảy… Việt Nam thường dùng kiểu lị buồng để nhiệt luyện (tơi, ủ, nung, thấm than); kiểu lò giếng để nung, nhiệt luyện; lò muối để nhiệt luyện dao cắt qua muối nung… 8.3 Cấu tạo lò điện trở 8.3.1 Những yêu cầu cấu tạo lò điện trở Những yêu cầu cấu tạo lò điện trở có yêu cầu sau: Hợp lý cơng nghệ Hợp lý cơng nghệ có nghĩa cấu tạo lị khơng phù hợp với q trình cơng nghệ u cầu mà cịn tính đến khả sử dụng q trình cơng nghệ khác khơng làm phức tạp q trình gia công tăng giá thành cách rõ rệt Cấu trúc lò đảm bảo điều kiện coi hợp lý Điều đặc biệt quan trọng nhu cầu lò điện vượt xa khả sản xuất Hiệu kĩ thuật Hiệu kỹ thuật khả biểu thị hiệu suất cực đại kết cấu thơng số xác định (kích thước ngồi, công suất, trọng lượng, giá thành ) Đối với thiết bị vật phẩm sản xuất ra, suất đơn vị công suất định mức, suất tiêu hao điện để nung v.v tiêu hiệu kỹ thuật Còn phần riêng biệt kết cấu chi tiết, hiệu kỹ thuật đánh giá công suất dẫn động, mô men xoắn, lực v.v Ứng với trọng lượng, kích thước giá thành kết cấu Chắc chắn làm việc Chắc chắn làm việc tiêu quan trọng chất lượng kết cấu lò điện Thường lò điện làm việc liên tục ca, hai ca ba ca ngày Nếu làm việc phận khơng hồn hảo ảnh hưởng đến q trình sản xuất chung Điều đặc biệt quan trọng lò điện làm việc liên tục dây chuyền sản xuất tự động Ngay lò làm việc chu kỳ, lò ngừng làm thiệt hại rõ rệt cho sản xuất ngừng lị đột ngột (nghĩa phá huỷ chế độ làm việc bình thường lị) dẫn đến làm hư hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên liệu làm tăng giá thành sản phẩm Một tiêu phụ thuộc chắn làm việc phận lò điện khả thay nhanh khả dự trữ lớn lị làm việc bình thường Theo quan điểm chắn, thiết bị cần ý đến phận quan trọng nhất, định làm việc liên tục lị Thí dụ: dây nung, băng tải Tiện lợi sử dụng Tiện lợi sử dụng nghĩa yêu cầu: - Số nhân viên phục vụ tối thiểu; - Không yêu cầu tŕnh độ chuyên môn cao, không yêu cầu sức lực dẻo dai nhân viên phục vụ; - Số lượng thiết bị quý bị hao mòn nhanh yêu cầu tối thiểu; - Bảo quản dễ dàng Kiểm tra sửa chữa tất phận thiết bị thuận lợi; - Theo quan điểm an toàn lao động, điều kiện làm việc phải hợp vệ sinh tuyệt đối an toàn Rẻ đơn giản chế tạo Về mặt yêu cầu sau: - Tiêu hao vật liệu nhất, đặc biệt vật liệu quý (các kim loại màu, hợp kim có hàm lượng niken cao ) - Công nghệ chế tạo đơn giản nghĩa khả chế tạo phải cho ngày công tận dụng thiết bị, dụng cụ thơng thường có sẵn nhà máy chế tạo để gia công; - Các loại vật liệu thiết bị yêu cầu để chế tạo phải nhất; - Sử dụng đến mức tối đa kết cấu giống loại để dễ dàng đổi lẫn thuận tiện lắp ráp; - Chọn hợp lý dạng gia công để phù hợp với điều kiện chế tạo (đúc, hàn, đập) Bỏ chi tiết khâu gia cơng khí khơng hợp lý Hình dáng bề ngồi đẹp Mỗi kết cấu thiết bị, vật phẩm, khâu chi tiết phải có hình dáng tỉ lệ cạch phù hợp, dễ coi Tuy cần ý rằng, độ bền kết cấu trọng lượng nhỏ hình dáng bề ngồi đẹp có quan hệ khăng khít với Việc gia cơng lần chót sơn có vai trị đặc biệt quan trọng hình dáng bề ngồi lị điện Song cần tránh trang trí khơng cần thiết 8.3.2 Một số kết cấu lị điện trở cơng nghiệp Các lị điện trở dùng Việt Nam có nhiều kiểu loại nguồn gốc khác Đa phần lị Liên Xơ (cũ), số khác Đức, Tiệp Khắc (cũ), Hungary v.v… số lị thí nghiệm lị cơng suất nhỏ dùng sấy, nung, nhiệt luyện Mỹ, Pháp, Ý, Nhật, Trung Quốc v.v… Một số lò Việt Nam thiết kế, chế tạo dựa theo tiêu chuẩn Liên Xơ (cũ) Nói chung loại lị có kết cấu tương tự với dải công suất từ vài kW đến hàng trăm kW dải nhiệt độ 2000oC Lị buồng lị vạn (hình 8.3) Lị gồm buồng nung hình hộp chữ nhật với kích thước tùy cơng suất lị Buồng nung lót cách nhiệt tạo thành áo lò, áo lò xây gạch chịu lửa có nhiều lớp Lớp ngồi gạch samơt có độ cách nhiệt cao Bọc ngồi vỏ tơn dày ÷10 mm Đáy lị thép chịu nhiệt, đúc liền ghép lại từ miếng nhỏ đáy lò xây gạch chịu lửa Thành buồng lị có đặt dây đốt Dây đốt bố trí phía đáy đỉnh Cửa lị tuỳ kiểu cơng suất lị, mở tay (kiểu địn bẩy hay có đối trọng) cấu khí truyền động động điện Cửa lị, có lỗ thăm để quan sát phía lị Ngồi ra, lị cịn có đầu dây đốt 2, cửa khí để dẫn khí bảo vệ vào lị (do khơng khí dễ thâm nhập vào buồng lò qua cửa lò gây tượng oxy hóa, cacbon vật thải nhiệt), đầu dị nhiệt đỉnh lị hay bên hơng Hình 8.3 Kết cấu lị buồng Hình 8.4, hình 8.5 kết cấu số lò điện trở Hình 8.4 Lị muối Đầu dây cấp điện; Chụp lò; Điện cực; Vách ngăn; Lớp lót; Vỏ bên trong; Hỏa kế; Vỏ bên ngồi Hình 8.5 Lị giếng Cơ cấu nắp quay; Nắp quay; Vỏ lị; Lớp lót; Các dẫn hướng khí Giỏ lị; Tấm đáy lò; Dây đốt; Đầu kiểm tra khí;10 Cửa khí; 11 Đầu dị nhiệt Trên hình 8.6 trình bày số cách bố trí dây đốt loại lị điện trở Hình 8.6 Một số cách bố trí dây đốt lị điện trở a) Dây xoắn trịn đặt rãnh sâu lớp lót; b) Dây đặt rãnh đáy thành lò; c) Phân bố dây đốt dẹt đáy thành lò; d) Phân bố đốt dẹt đỉnh thành lò; e) Dây đốt đúc 8.3.3 Cấu tạo lò điện trở Cấu tạo lò điện trở gồm phần sau: - Vỏ lị; - Lớp lót; - Dây nung Vỏ lò Vỏ lò điện trở khung cứng, vững chủ yếu để chịu tải trọng q trình làm việc lị Vỏ lị dùng để giữ lớp cách nhiệt đảm bảo kín hồn tồn tương đối lị - Vỏ lị có dạng bản: dạng chữ nhật dạng trịn - Vỏ lị hình chữ nhật: dựng lên thép hình chữ U, L thép cắt theo hình thích hợp, ta thường thấy lò buồng, lò băng tải, lò liên tục, lò đáy nung - Vỏ lò tròn dùng lò giếng, lò chụp kết cấu vỏ lò tròn thường dùng: + Thép dài ÷ mm với đường kính vỏ lị 1000 ÷ 2000 mm; + Thép dài ÷ 12 mm với đường kính vỏ lị 250 ÷ 4000 mm; + Thép dài 14 ÷ 20 mm với đường kính vỏ lị 4500 ÷ 6500 mm Lớp lót Lớp lót lị điện thường gồm phần: phần vật liệu chịu lửa phần cách nhiệt - Vật liệu chịu lửa: xây dựng gạch tiêu chuẩn, gạch hình gạch hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng, kích thước buồng lị Yêu cầu chất làm vật liệu chịu lửa: + Đảm bảo khả gắn dây nung bền, chắn; + Chịu nhiệt độ làm việc cực đại lị; + Có độ bền hố học làm việc, độ bền học theo yêu cầu; + Đảm bảo khả tích nhiệt cực tiểu - Phần cách nhiệt: Phần cách nhiệt nằm vỏ lò vật liệu chịu lửa Mục đích chủ yếu phần để giảm tổn thất nhiệt Phần cách nhiệt xây dựng gạch cách nhiệt bột cách nhiệt (xỉ bông, amiăng ) Yêu cầu phần cách nhiệt: + Hệ số cách nhiệt cực tiểu; + Khả tích nhiệt cực tiểu; + Ổn định tính chất lý nhiệt điều kiện làm việc xác định Dây nung Theo đặc tính vật liệu làm dây nung, người ta chia dây nung làm loại: Dây nung kim loại dây nung phi kim loại - Dây nung kim loại: dây nung kim loại thường dây nung dạng băng dây nung dạng tròn + Dây nung dạng băng thường có dạng zíc-zắc, bước zíc-zắc h phụ thuộc vào chiều rộng b băng: h/b = 1,4 ÷ 2,6 + Dây nung trịn thường dạng xoắn, bước h dây nung xoắn thường phụ thuộc vào đường kính d dây: h/d = 3,2 ÷ 4,8 - Dây nung phi kim loại: Dây nung phi kim loại thường có dạng ống Ngồi phần kết cấu lị cịn có thiết bị phụ Cửa lị, thiết bị vận chuyển Tài liệu tham khảo [1] Phạm Thanh, Giáo trình lị cơng nghiệp, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng – 2007 [2] Phan Quang Xưng, Hoàng Ngọc Đồng Kỹ thuật nhiệt điện, NXB Khoa học Kỹ thuật - 2002 [3] Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú (1992), Bài tập kỹ thuật nhiệt, NXB Đại học Giáo dục chuyên nghiệp, Hà Nội [4] Bùi Hải, Trần Thế Sơn (1998), Bài tập nhiệt động, truyền nhiệt kỹ thuật lạnh, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [5] Nguyễn Đức Lợi, Vũ Diễm Hương, Nguyễn Khắc Xương (1998), Vật liệu kỹ thuật nhiệt lạnh, NXB Giáo dục, Hà Nội [6] Nguyễn Sỹ Mão (2002), Lý thuyết thiết bị cháy, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [7] Trần Gia Mỹ (2005), Kỹ thuật cháy, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [8] Đinh Quang Huy (1995), Sấy nung vật liệu xây dựng, NXB Xây dựng, Hà Nội [9] Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú (1999), Truyền nhiệt, NXB Giáo dục, Hà Nội [10] Phạm Văn Trí, Dương Đức Hồng, Nguyễn Cơng Cẩn (1996), Lị cơng nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [11] Glinkov, (người dịch: Nguyễn Đình Tường) (1971), Lý thuyết đại cương lò, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [12] Hoàng Kim Cơ, Nguyễn Cơng Cẩn, Đỗ Ngân Thanh (1985), Tính tốn nhiệt lị công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa, Hà Nội ... khí Ví dụ: lò nung quặng sunfua, lò nung dung dịch sunfua kẽm Lị cơng nghiệp theo đặc điểm cấu trúc Dựa vào hình dạng, cấu trúc có loại lò như: lò buồng, lò bể, lò ống quay, lò hầm, lò nung liên... lị cơng nghiệp thường gặp như: Lò cao, lò nung, lò luyện thép để cán, rèn dập, lò nấu thủy tinh, lò ống quay sản xuất ximăng, lị sấy, lị điện Trong lị cơng nghiệp, lượng nhiệt cấp cho lò nhiệt... dụng số loại vật liệu xây lò Các loại lò Vật liệu xây lò Nguyên nhân phá hủy áo lò Phần bị ăn mòn mạnh Lò cao Mulit-silic, mulit Ăn mòn, mài mòn Lò Mac Vật liệu cácbon, Lò thổi oxy graphit, cromit-perca…