GIAO TRINH LÒ CÔNG NGHIỆP nguyễn ngọc quý

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................................................4
Chương 1: CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA LÒ CÔNG NGHIỆP ..............................................5
1.1. Khái niệm, phân loại lò công nghiệp .........................................................................................5
1.1.1. Khái niệm ...............................................................................................................................5
1.1.2. Phân loại lò công nghiệp ........................................................................................................5
1.2. Các đặc trưng cơ bản của lò công nghiệp .................................................................................6
1.2.1. Nhiệt độ, chế độ nhiệt độ của lò .............................................................................................6
1.2.2. Chế độ nhiệt của lò .................................................................................................................7
1.2.3. Công suất nhiệt của lò ............................................................................................................7
1.2.4. Năng suất của lò .....................................................................................................................7
1.2.5. Các hiệu suất ..........................................................................................................................7
1.2.6. Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn .........................................................................................8
Chương 2: CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA LÒ CÔNG NGHIỆP ...............................................10
2.1. Chế độ bức xạ ............................................................................................................................10
2.1.1. Chế độ bức xạ phân bố đều ..................................................................................................10
2.1.2. Chế độ bức xạ trực tiếp ........................................................................................................11
2.1.3. Chế độ bức xạ gián tiếp ........................................................................................................12
2.2. Chế độ làm việc đối lưu.............................................................................................................13
2.2.1. Trao đổi nhiệt đối lưu trong 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 của nhiên liệu rắn ...................................................................................................25
3.1.2. Các loại buồng đốt................................................................................................................25
3.1.3. Tính toán buồng đốt .............................................................................................................28
3.2. Thiết bị đốt nhiên liệu khí.........................................................................................................30

3.2.1. Đặc điểm chung và 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 và phân loại thiết bị ...................................................................................34


3.3.2. Mỏ phun thấp áp ...................................................................................................................35
3.3.3. Mỏ phun cao áp ....................................................................................................................37
Chương 4 : 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 của lò ......................................................................................................................40
4.2.1. Các cấp xây lò ......................................................................................................................40
4.2.2. Kết cấu của thể xây ..............................................................................................................42
4.3. Khung lò .....................................................................................................................................45
4.3.1. Khung lò và vỏ lò .................................................................................................................45
4.3.2. Tính khung lò ....................................................................................................................46
Chương 5: HỆ THỐNG THOÁT KHÓI VÀ CẤP GIÓ CHO LÒ ..................................................48
5.1. Cấu trúc của hệ thống thoát khói và cấp gió cho lò ...............................................................48
5.1.1. Kỹ thuật bố trí kênh khói, cống khói và các đường ống dẫn ................................................48
5.1.2. Tính kích thước hệ thống thoát khói ....................................................................................49
5.1.3. Tính kích thước đường ống cấp gió .....................................................................................50
5.2. Tính tổn thất áp suất ở hệ thống thoát khói và cấp gió .........................................................50
5.2.1. Hệ thống thoát khói ..............................................................................................................50
5.2.2. Đường ống dẫn không khí và khí đốt ...................................................................................52
5.3. Ống khói và 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 các khoản cân bằng 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 và các chỉ 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 bằng nhiệt của lò .......................................................................................................59
Chương 7: MỘT SỐ LÒ CÔNG NGHIỆP THÔNG DỤNG ............................................................61
7.1. Lò cao .........................................................................................................................................61
7.1.1. Cấu tạo và 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 và nguyên lý làm việc .............................................................................................66
7.3.2. Chế độ nhiệt .........................................................................................................................67
Chương 8: LÒ ĐIỆN ............................................................................................................................68
8.1. Giới thiệu chung về lò điện .....................................................................................................68
8.1.1. Đị nh n ghĩ a ........................................................................................................................68
8.1.2. Ưu điểm của lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu..........................................................68
8.2. Giới thiệu chung về lò điện trở .................................................................................................68
8.2.1. Nguyên lý làm việc của 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 cơ bản đối với cấu tạo lò điện trở................................................................76
8.3.2. Một số kết cấu lò điện trở trong công nghiệp .......................................................................77
8.3.3. Cấu tạo lò điện trở ................................................................................................................81
Tài liệu tham khảo. ..........................................................................................................................83


LỜI NÓI ĐẦU
Giáo trình lò công nghiệp – lò điện là giáo trình nội bộ, phục vụ giảng dạy cho hệ
cao đẳng và đại học chuyên ngành Kỹ thuật nhiệt lạnh của trường Đại học Công
nghiệp – Hà Nội.
Môn học trang bị các kiến thức cơ bản về cấu trúc, nguyên lý hoạt động và bản
chất các quá trình xảy ra trong lò công nghiệp, lò điện để vận dụng vào thực tế sản
xuất các nhà máy luyện kim, gốm sứ, xử lý chất thải rắn...
Trong quá trình biên soạn giáo trình chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, kính
mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các đồng nghiệp và bạn đọc để giáo trình
ngày càng hoàn thiện hơn nữa.
Thư từ góp ý xin gửi về 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 LÒ CÔNG
NGHIỆP
1.1. Khái niệm, phân loại lò công nghiệp
1.1.1. Khái niệm
Lò công nghiệp 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, lò công 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, lò sấy, lò điện.

Trong lò công nghiệp, lượng nhiệt cấp cho lò là nhiệt năng toả ra khi đốt cháy
nhiên liệu hoặc nhiệt toả 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 lò công nghiệp
Người ta chia lò công nghiệp thành 4 nhóm lò theo các đặc điểm sau:
1. Lò công nghiệp theo đặc điểm nguồn nhiệt
Dựa vào các dạng năng lượng có thể biến đổi thành nhiệt năng lò công nghiệp
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 nhiệt. Đây là các lò không cần cung cần 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% cacbon. Khi thổi gió vào gang lỏng sẽ xảy ra các phản ứng hóa học
có tỏa nhiệt giữa oxy với cacbon.
[ C ] + O2 = CO2 + Q
2. Lò công nghiệp theo các 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, lo nấu chảy kim loại đen để đúc hoặc hợp kim
hoá...
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).
3. Lò công nghiệp 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 lò công nghiệp 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 ≥ 600oC. 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 sẽ trao đổi nhiệt chủ yếu
bằng trao đổi nhiệt đối lưu, nhiệt độ lò nhỏ hơn 600oC. 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.
Khí 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. Khí 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,
oxyt kẽm;
- Lớp lơ lửng: Ở đây vật liệu được nghiền nhỏ và lơ lửng trong không gian lò

dưới tác dụng thổi của dòng khí. Ví dụ: các lò nung quặng sunfua, lò nung dung
dịch cô của sunfua kẽm.
4. Lò công nghiệp 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 lò công nghiệp
Để 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. Nhiệt độ, chế độ nhiệt độ của lò
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 = η.tlt , oC

(1.1)

Ở đây:
tlt - nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu, oC
η - 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].
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: khi nhiệt độ không thay đổi tlò = const, ta có chế độ nhiệt độ lò

ổn định. Khi nhiệt độ lò thay đổi theo thời gian tlò = f(τ) là chế độ nhiệt độ không ổn
định.
1.2.2. Chế độ nhiệt của lò
Trong 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(τ).
Khi phụ tải nhiệt không thay đổi Q = const 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 toán cấp nhiệt dựa trên cơ sở tính cân bằng nhiệt.
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
Đây 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 là lượng sản phẩm gia công được tính trên 1m2 diện tích đáy lò trong một
đơn vị thời gian; ký hiệu là “g” ; đơn vị kg/m2.h.
1.2.5. Các hiệu suất
1. Hiệu suất sử dụng nhiệt có ích
Đây là tỷ số giữa lượng nhiệt có ích để gia công vật liệu và toàn bộ lượng nhiệt
cung cấp cho lò.
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 khi công nghệ có tạo xỉ QX, kJ/h ; Nhiệt của các phản ứng hóa học QPƯHH, kJ/h .
QΣcấp bao gồm lượng nhiệt tỏa ra khi đốt cháy nhiên liệu QC, kJ/h; Lượng nhiệt
vật lý của không khí được nung nóng QKK, kJ/h; Lượng nhiệt vật lý của nhiên liệu
được nung nóng QNL, kJ/h.
Cụ thể các lượng nhiệt này được trình bày trong chương 6 .
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 toàn bộ lượng nhiệt cung cấp cho lò.
óí

η =

ổ

ấ

ự

ò

. 100%

(1.3)

ấ

Q

óí

+Q

ổ

ấ

ự

ò

=Q

ấ

−Q

ó

ả

ố

ó

Ở đây: Qtổn thất trong khu vực lò - là lượng nhiệt tổn thất dưới tất cả các dạng (dẫn
nhiệt qua tường, bức xạ qua cửa mở, do nước làm mát...), kJ/h.
3. Hiệu suất sử dụng nhiên liệu
Đây là tỷ số giữa lượng nhiệt có ích để gia công vật liệu Qcó ích và lượng nhiệt
tỏa ra khi đốt cháy nhiên liệu QC.
η =

óí

. 100%

(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 ηcó ích = ηnl .
1.2.6. Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu 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 lò công nghiệp về
phương diện sử dụng nhiên liệu người ta dùng một đặc trưng cơ bản: Suất tiêu hao
nhiên liệu tiêu chuẩn, ký hiệu: b. Đây chính là lượng nhiên liệu tiêu chuẩn để gia công
một đơn vị khối lượng vật liệu.
b=

B.QT
,
29300.G

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 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/h.
Theo [1], giá trị các hiệu suất sử dụng nhiên liệu và giá trị suất tiêu hao nhiên
liệu tiêu chuẩn của lò công nghiệp hiện nay như sau:
Loại lò

ηnl , %

b , kg/kg

Lò nung liên tục

30 ÷ 50

0,05 ÷ 0,15


Lò buồng để cán và rèn

15 ÷ 30

0,1 ÷ 0,25

Lò buồng để nhiệt luyện

5 ÷ 20

0,1 ÷ 0,50


Chương 2: CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA LÒ CÔNG NGHIỆP
Quá trình trao đổi nhiệt trong không gian làm việc của lò được chia làm 2 thành
phần:
- Quá trình trao đổi nhiệt bên ngoài: Giữa ngọn lửa, khí lò và bề mặt trong của
tường, nóc lò với bề mặt vật liệu được gia công nhiệt;
- Quá trình trao đổi nhiệt bên trong: Từ bề mặt ngoài vào trong tâm của vật liệu.
Phụ thuộc vào công nghệ, đối với lò công nghiệp có 3 chế độ làm việc: chế độ
làm việc bức xạ, chế độ làm việc đối lưu, và chế độ làm việc ở trạng thái lớp.

2.1. Chế độ bức xạ
Đối với những lò làm việc ở nhiệt độ cao (hơn 600oC) thì Quá trình trao đổi
nhiệt bên ngoài bằng bức xạ nhiệt đóng vai trò quyết định. Cường độ trao đổi nhiệt
phụ thuộc nhiều vào các yếu tố: tính chất của ngọn lửa, số lượng và cách bố trí các mỏ
đốt cũng như miệng kênh khói. Bề mặt trong của tường lò nhận nhiệt bức xạ từ ngọn
lửa sau đó bức xạ tới vật liệu được gia công.
Ở chế độ nhiệt ổn định, cho các hệ số góc bức xạ tương hỗ  = 1, giải hệ các
phương trình trao đổi nhiệt giữa: ngọn lửa – vật liệu – tường lò, ta có phương trình cân
bằng sau.
qV = QVN + QT (1 - εN) - QV

(2.1)

qT = QTN + QV (1- εN) - QT

(2.2)

Ở đây: qV, qT - là các dòng nhiệt tổng hợp của vật liệu, tường lò;
QVN , QTN - là các dòng nhiệt từ ngọn lửa tới vật liệu, tường lò;
QV , QT - là các dòng nhiệt hiệu quả ứng với vật liệu và tường lò;
εN - Là độ đen ngọn lửa.
Phụ thuộc tương quan giữa QVN và QTN người ta chia chế độ làm việc bức xạ
làm 3 chế độ:
a - chế độ bức xạ phân bố đều khi:

QVN = QTN

b - chế độ bức xạ trực tiếp khi:

QVN > QTN

c - chế độ bức xạ gián tiếp khi:

QVN < QTN

2.1.1. Chế độ bức xạ phân bố đều
1. Sự truyền nhiệt
Ở chế độ bức xạ phân bố đều QVN = QTN , trường nhiệt độ và độ đen ngọn lửa
phân bố đều hoặc đối xứng về phía vật liệu và tường lò.
2. Chọn nhiên liệu và phương pháp đốt
Để tạo chế độ bức xạ phân bố đều cần chọn phương pháp đốt nhiên liệu tạo
nhiệt độ, độ sáng của ngọn lửa (εN) có giá trị cao và đồng đều.

Cacbua hydro (CH4, CnHm) có trong nhiên liệu càng nhiều thì εN càng cao vì
trong quá trình cháy tạo ra các hạt cacbon có độ sáng cao. Cũng như nhiên liệu bụi,
nhiên liệu lỏng thích hợp với chế độ bức xạ phân bố đều (trừ dầu mazut có độ chứa ẩm
lớn).
Cần tạo ra sự cacbon hóa tự nhiên của ngọn lửa trong quá trình cháy nhiên liệu.
Điều này được thực hiện bằng việc nung nóng trước khí đốt và không khí. Chú ý
không tiến hành hỗn hợp trước khí đốt và không khí, vì điều này lại ngăn chặn quá
trình cac bon hoá. Vì vậy không sử dụng các loại mỏ đốt có hỗn hợp 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.
Cần đảm bảo trường nhiệt độ không 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 khi khoảng cách giữa miệng kênh khói và mỏ đốt lớn
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 thao tác đặt ở trên (để không khí
lạnh lọt vào lò thoát ra dễ dàng).
3. Lĩnh vực sử dụng
Chế độ bức xạ phân bố đều 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
1. Sự truyền nhiệt
Ở chế độ bức xạ trực tiếp QVN > QTN , nguồn nhiệt và trường nhiệt độ được
phân bố gần về phía vật liệu hơn so với tường lò, ngọn lửa hướng sát bề mặt vật nung.
Nhiệt độ và độ đen của ngọn lửa đóng vai trò lớn trong quá trình trao đổi nhiệt cần có
giá trị cao. Ngoài ra phải tăng độ đen của lớp khí giữa ngọn lửa với bề mặt vật nung.
Không tạo vùng khí chuyển động tuần hoàn vì nó làm giảm tốc độ của dòng chính,
tăng độ trải rộng và làm đồng đều đặc tính quang học của ngọn lửa (độ đen, nhiệt độ).
Chức năng công tác nhiệt của tường lò không đóng vai trò quan trọng.

2. Chọn nhiên liệu và phương pháp đốt
Việc chọn nhiên liệu cũng giống như ở chế độ bức xạ trực tiếp. Cần phải tạo
cho nhiên liệu cháy hoàn toàn hoặc cháy phần lớn ở vùng ngọn lửa phía vật nung.
Ngọn lửa thường là ngọn lửa phun. Muốn duy trì ngọn lửa sát bề mặt cần sử dụng thiết
bị đốt nhiên liệu tạo nên dòng nhiên liệu và không khí có tốc độ cao, hướng tới vật
nung một góc α. Đối với nhiên liệu lỏng thường dùng mỏ phun cao áp vì chúng tạo ra
ngọn lửa gọn và dài.
Số lượng mỏ đốt ở lò làm việc theo chế độ bức xạ trực tiếp không nhiều nhưng
có công suất lớn và được bố trí về một phía để tránh phá hỏng ngọn lửa phun. Do tính
chất chuyển động thẳng của khí có lợi ở chế độ bức xạ trực tiếp nên các miệng kênh
khói bố trí đối diện với mỏ đốt.
3. Lĩnh vực sử dụng


Thường được ứng dụng trong các lò điện hồ quang, lò nấu chảy, lò nung luyện
thép. Chế độ này được sử dụng để nung các vật mỏng cũng như vật dày.
Đối với các vật mỏng, cần có một khoảng cách nhất định giữa ngọn lửa với bề
mặt vật liệu để vật không bị quá nhiệt. Đối với các vật dày, nên có một góc thích hợp
giữa ngọn lửa với bề mặt vật và chỉ nên áp dụng đối với vật không dễ dàng bị quá
nhiệt, không có yêu cầu nung đều.
2.1.3. Chế độ bức xạ gián tiếp
1. Sự truyền nhiệt
Ở chế độ bức xạ gián tiếp QVN < QTN , vùng nhiệt độ cực đại nằm sát nóc và
tường lò, vì vậy nóc, tường lò cần có độ đen lớn, độ bền nhiệt cao. Để cường hóa quá
trình truyền nhiệt từ tường lò có thể phủi lên tường một lớp vật liệu đặc biệt tạo khả
năng bức xạ cao. Có 3 dạng bức xạ gián tiếp:
- Khi ngọn lửa nằm ở gần tường, nóc lò. Nhiệt độ và độ sáng của ngọn lửa ở
phía tường lò cao hơn ở phía vật nung.
- Cấp nhiên liệu khí qua mỏ đốt đặt tại nóc lò, nhiên liệu cháy tạo thành lớp
mỏng sát nóc lò, làm cho thể xây nóc có nhiệt độ cao nhất; hoặc sử dụng các mỏ đốt

có bề mặt gốm đặt ở nóc, vòm lò, khi cường hoá thì bề mặt gốm được nung nóng tới
nhiệt độ gần bằng nhiệt độ chảy của nhiên liệu.
- Tường, nóc lò được thay bằng các bề mặt phản xạ có hệ số phản xạ lớn (0,95
÷ 0,97).
Ở chế độ bức xạ gián tiếp thì tường lò có nhiệt độ cao hơn và đóng vai trò tích
cực trong quá trình trao đổi nhiệt. Ngoài ra, khi độ đen của khói lò càng nhỏ thì hiệu
quả trao đổi nhiệt càng cao.
2. Chọn nhiên liệu và phương pháp đốt
Ở chế độ này cần đáp ứng yêu cầu cơ bản là tạo ra ngọn lửa có nhiệt độ cao
nhất ở gần nóc và tường lò. Nhiên liệu phải có nhiệt trị lớn, người ta thường dùng
nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng nhóm nhẹ; không dùng nhiên liệu lỏng loại nặng và
nhiên liệu khí giàu cacbua hydro. Để các dòng sản phẩm cháy không quá mạnh làm
ảnh hưởng sự phân bố nhiệt yêu cầu trong buồng lò người ta thường dùng loại mỏ đốt
có tốc độ thổi hỗn hợp cháy nhỏ: mỏ phun thấp áp hoặc mỏ phun có sự biến bụi cơ
học.
Các thiết bị đốt được bố trí ở dưới vòm nóc lò. Các miệng kênh khói cần phân
bổ đều ở phần dưới của không gian lò.
3. Lĩnh vực sử dụng
Chế độ bức xạ gián tiếp được sử dụng rộng rãi đối với các vật liệu không đòi
hỏi nhiệt độ cao; vật xếp trong không gian lò bảo đảm nhiệt bức xạ đều đến bề mặt vật.
Hình 2.1 cho thấy lò nung kim loại màu làm việc ở chế độ này.


Hình 2.1. Lò nung liên tục phôi kim loại màu làm việc ở chế độ bức xạ gián tiếp:
1. Mỏ đốt; 2. Miệng các kênh khói; 3. Phôi nung

2.2. Chế độ làm việc đối lưu
Đối với các lò làm việc ở nhiệt độ không cao (nhỏ hơn 600oC), lượng nhiệt trao
đổi bằng bức xạ không lớn, có thể bỏ qua thì có thể coi lò làm việc ở chế độ làm việc
đối lưu. Khi đó sự trao đổi 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 = αdl.∆t.FV , W

(2.3)

Ở đây:
Q - lượng nhiệt trao đổi bằng đối lưu; W
αdl - hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, W/m2.oC ;
∆t = tK - tV - Hiệu nhiệt độ giữa khí lò và vật liệu nung, oC;
FV - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của vật liệu, m2.
Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (αdl) phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: tính chất
chuyển động của dòng khí (tự nhiên hay cưỡng bức); tốc độ với các đại lượng vật lý
của dòng chảy; hình dạng, kích thước, tính chất bề mặt của vật liệu và được xác định
bằng phương trình tiêu chuẩn có dạng:
α =

.

, W/m2.độ

Nu = A.RenGrmPrk

(2.4)

Phương pháp xác định αdl được trình bày cụ thể trong [1], [2]; ở đây không đề
cập đến.
Ở chế độ làm việc đối lưu các dòng chất mang nhiệt thể lỏng có αdl lớn hơn so
với thể khí. Với chất mang nhiệt thể khí thường sử dụng là sản phẩm cháy, không khí.
Và các vùng công nghệ, vùng sinh nhiệt được ngăn cách, nhiên liệu cháy ngoài buồng

lò. Chất mang nhiệt thể lỏng thường là nước, dầu hoặc các muối nóng chảy.
2.2.1. Trao đổi nhiệt đối lưu trong chất lỏng
1. Khái niệm
Trong các nhà máy cơ khí, luyện kim việc nung nóng hoặc làm nguội các chi
tiết kim loại thường được tiến hành trong chất lỏng, với các ưu điểm: tốc độ nung lớn,
đều và tránh được oxy hóa. Quy luật trao đổi nhiệt đối lưu trong chất lỏng cũng giống
như trong chất khí. Các chất mang nhiệt thể lỏng được chia thành 2 nhóm:


- Các kim loại hoặc hợp kim nóng chảy. Nhóm này có đặc tính dẫn điện, dẫn
nhiệt lớn nhưng khi thay đổi chế độ chuyển động chảy tầng qua chảy rối thì cường độ
trao đổi nhiệt đối lưu thay đổi không nhiều.
- Nước, dầu và các muối hoặc oxyt nóng chảy. Các chất này có tính dẫn nhiệt
kém và có giá trị như tính dẫn nhiệt của không khí.
2. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
Khi nung nóng hoặc làm nguội các vật có kích thước đủ lớn trong chất lỏng, đại
lượng này được xác định theo công thức dưới đây của V.Nusselt:
αđ = B

.

. . .

, W/m2.độ

(2.5)

Ở đây:
B - hệ số thực nghiệm;
ρ - khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3;

λ - hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng, W/m.độ;
C - nhiệt dung riêng của chất lỏng, kJ/kg.độ;
β - hệ số giãn nở thể tích của chất lỏng, 1/độ;
η - hệ số nhớt động lực học của chất lỏng, kg/m.s hoặc Pa.s;
∆t - độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt vật và chất lỏng, oC.
Tất cả các thông số vật lý trong phương trình trên được tính theo nhiệt độ trung
bình ttb giữa nhiệt độ bề mặt vật tW và nhiệt độ của chất lỏng tf.
t

=

, oC

Hình 2.2 biểu thị quan hệ giữa dl 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 muối nóng
chảy.


Hình 2.2. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu αdl khi nung nóng và làm nguội các chi tiết bằng
thép trong các muối nóng chảy

3. Nhận xét.
Từ đồ thị trên ta nhận thấy rằng:
- Hệ số trao đổi nhiệt khi làm nguội vật trong muối lỏng lớn hơn nhiều so với
khi nung nóng cũng trong muối đó. Bởi vì khi nung nóng, ở giai đoạn đầu hình thành
lớp muối kết tinh trên bề mặt vật, làm giảm khả năng trao đổi nhiệt giữa muối lỏng và
vật. Còn khi làm nguội, không những không có hiện tượng hình thành lớp muối kết
tinh mà còn có những điều kiện thuận lợi thúc đẩy đối lưu tự nhiên. Khi nhiệt độ của
muối lỏng tăng, độ nhớt của nó giảm, quá trình đối lưu sẽ tốt hơn.
- Hệ số trao đổi nhiệt khi làm nguội đạt giá trị cực đại ở phạm vi độ quá nhiệt

bằng 150 ÷ 200oC, bởi vì ở độ quá nhiệt đó, tích số (Gr.Pr) có giá trị lớn nhất.
- Hệ số trao đổi nhiệt khi nung nóng tăng tuyến tính với độ quá nhiệt.
Do có cấu trúc tinh thể giống nhau, nên khi nhiệt độ gần với nhiệt độ nóng chảy
(độ quá nhiệt = 0), các muối đều có cùng hệ số trao đổi nhiệt như nhau:


αdl ≈ (200 ÷ 220) W/m2.độ
2.2.2. Quá trình làm nguội vật trong không khí
Trong sản xuất, vật phẩm kim loại thường được nung nóng đến nhiệt độ cao,
sau đó được làm nguội trong không khí. Lượng nhiệt trao đổi giữa vật và không khí
được tính theo công thức Newton:
qlng = αlng (tV - tKK) = (αbx + αdl)(tV - tKK)

(2.6)

Ở đây:
αlng - hệ số làm nguội (cả bức xạ và đối lưu), W/m2.độ;
αbx - hệ số trao đổi nhiệt bức xạ, W/m2.độ;
αdl - hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, W/m2.độ;
tV - nhiệt độ bề mặt của vật làm nguội, oC;
tKK - nhiệt độ của không khí bao quanh vật, oC.
Giá trị của hệ số làm nguội αlng có thể tính gần đúng theo đồ thị hình 2.3.

Hình 2.3. Hệ số αlng phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt vật tV

Muốn chính xác ta tính αbx và αdl theo các công thức sau:
α

=

, W/m2.độ

(2.7)

Đối với chế độ đối lưu tự nhiên thì αdl được tính từ phương trình tiêu chuẩn:
Nu = C.(Gr.Pr )n

(2.8)

Với: C = 0,450 và n = 0 khi tích số (Gr.Pr) < 10-3
C = 1,180 và n = 0,125 khi tích số (Gr.Pr) = 10-3 ÷ 5.102
C = 0,540 và n = 0,25 khi tích số (Gr.Pr) = 5.102 ÷ 2.107
C = 0,135 và n = 0,333 khi tích số (Gr.Pr) > 2.107
Trong một số trường hợp ta có thể sử dụng công thức thực nghiệm sau:
α = D.

t −t

, W/m2.độ

Hệ số D = 2,56 khi tấm đặt đứng;

(2.9)


D = 3,25 khi tấm đặt nằm ngang, mặt làm nguội hướng lên trên;
D = 1,33 khi tấm đặt nằm ngang, mặt làm nguội hướng xuống dưới;
D = 5,65 khối trụ đặt nằm ngang có đường kính 5 mm;
D = 4,10 khối trụ đặt nằm ngang có đường kính 10 mm;
D = 2,25 khối trụ đặt nằm ngang có đường kính 50 mm;

D = 2,09 khối trụ đặt nằm ngang có đường kính 100 mm;
D = 2,01 khối trụ đặt nằm ngang có đường kính 200 mm;
Đối với chế độ đối lưu cưỡng bức khi ở chế độ chảy tầng, vật có dạng tấm thì
ta có:
α =A

.

,

, W/m2.độ

(2.10)

Khi ở chế độ chảy rối:
α =A

.

,

, W/m2.độ

(2.11)

Với ρ0KK , ω0 - là khối lượng riêng và tốc độ của không khí ở điều kiện tiêu
chuẩn.
l - là chiều dài của vật làm nguội.
A1 và A2 - là các hệ số, được chọn theo bảng sau:
Chế độ chảy

Nhiệt độ
0

50

100

200

300

500

1000

Chảy tầng A1

3,42

3,68

3,93

4,33

4,71

5,36

6,47

Chảy rối A2

4,37

4,52

4,66

4,88

5,09

5,41

6,04

2.2.3. Lĩnh vực sử dụng chế độ trao đổi nhiệt đối lưu
Sự trao đổi nhiệt đối lưu được ứng dụng ở những lò có nhiệt độ không lớn hơn
400 C, thí dụ như trong các lò sấy, lò điện trở nhiệt độ thấp, phần trên của lò cao… Ở
những vùng có nhiệt độ cao hơn thì vai trò trao đổi nhiệt bức xạ là chủ yếu nhưng vẫn
còn ảnh hưởng của trao đổi nhiệt đối lưu, đặc biệt là khi khói lò chuyển động với vận
tốc lớn.
o

Đối với các lò sử dụng chế độ trao đổi nhiệt đối lưu việc đốt nhiên liệu trong
buồng lò là không cho phép vì ở nhiệt độ thấp thì không bảo đảm ổn định quá trình
cháy và sự đồng đều trao đổi nhiệt trong không gian lò. Người ta thường đốt nhiên liệu
ở một buồng riêng, độc lập với không gian buồng lò, nên có thể đốt được mọi dạng

nhiên liệu. Sử dụng điện năng là thích hợp nhất vì dễ dàng điều chỉnh và khống chế
nhiệt độ nhưng năng suất không lớn mà giá thành sản phẩm lại cao. Để giảm kích
thước buồng đốt người ta thường sử dụng các mỏ đốt có ngọn lửa ngắn, mỏ phun thấp
áp (khi đốt nhiên liệu lỏng) và tránh sự bức xạ từ buồng đốt sang buồng lò. Để sự trao
đổi nhiệt tốt, yêu cầu chất mang nhiệt phải có tốc độ lớn và chuyển động bao quanh
vật.


Sự tái tuần hoàn khí thải được sử dụng nhiều trong các lò làm việc ở chế độ này
do nhiệt độ yêu cầu của công nghệ thấp hơn so với nhiệt độ của sản phẩm cháy. Khi đó
ta có quá trình hỗn hợp giữa sản phẩm cháy với khí thải tái tuần hoàn là :
VKCKtK + VthCthtth = VhhChhthh

(2.12)

Ở đây:
VK, Vth, Vhh - là thể tích của khói (sản phẩm cháy), khí thải tái tuần hoàn và hỗn
hợp (tính ở điều kiện tiêu chuẩn), m3/s ;
CK, Cth, Chh - là nhiệt dung riêng của khói (sản phẩm cháy), khí thải tái tuần
hoàn và hỗn hợp, kJ/m3.độ
tK , tth , thh - Là nhiệt độ của khói (sản phẩm cháy), khí thải tái tuần hoàn và hỗn
hợp, oC.

2.3. Chế độ làm việc theo lớp
Đây là chế độ làm việc ở các lò nung nóng, nấu chảy hoặc làm nguội các vật
liệu dạng hạt, dạng cục hoặc dạng bụi. Vật liệu được chất đầy hoặc một phần trong
không gian làm việc của lò. Khí nóng chuyển động qua lớp vật liệu. Lò thường có cấu
tạo thẳng đứng. Phụ thuộc vào tính chất của vật liệu, sự chuyển động tương đối giữa
vật liệu với dòng khí, công nghệ sản xuất người ta phân ra ba dạng lớp:
1. Lớp chặt: Vật liệu có dạng cục, xếp thành lớp được coi như không chuyển

động tương đối với nhau. Khí lò chuyển động qua lớp vật liệu từ dưới lên hoặc từ trên
xuống. Lò có cấu tạo dạng thẳng đứng.
2. Lớp sôi: Vật liệu có dạng hạt nhỏ, đồng đều ở trạng thái bị xáo trộn giống
như “sôi” bởi dòng khí có tốc độ lớn thổi từ dưới lên. Thí dụ: các lò thiêu quặng, lò
sấy tầng sôi.
3. Lớp lơ lửng: Vật liệu rất nhỏ, ở dạng bụi bay lơ lửng trong không gian lò
dưới tác động của dòng khí có tốc độ lớn. Thí dụ: các lò dạng đài phun, xyclon.
Chế độ làm việc theo lớp có hai đặc điểm nổi bật:
- Bề mặt trao đổi nhiệt rất lớn nhưng không ổn định.
- Trong lò tồn tại đồng thời cả ba dạng dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt.
2.3.1. Chế độ lớp chặt
Khi nghiên cứu về trao đổi nhiệt trong lớp chặt người ta có khái niệm hệ số trao
đổi nhiệt thể tích αV - Lượng nhiệt trao đổi ứng với một đơn vị thể tích lò có chứa vật
liệu, W/m3.độ:
α =

.

=

.

, W/m3.độ

Ở đây:
α - hệ số trao đổi nhiệt bề mặt, W/m2.độ;
V - là thể tích không gian lò có chứa vật liệu, m3;
F - là diện tích bề mặt của vật liệu, m2;
F0 - là diện tích bề mặt của vật liệu ứng với 1m3 vật liệu, m2;

(2.13)


1 - có nghĩa là xét khi V = 1m3;
Hệ số trao đổi nhiệt thể tích αV phụ thuộc vào tính chất của vật liệu mà có thể
được tính với các công thức khác nhau. Người ta chia vật liệu làm hai loại: Vật liệu
mỏng và vật liệu dày.
- Vật liệu mỏng là loại có nhiệt trở của nó gần bằng không:
- Vật liệu dày là loại có nhiệt trở của nó khác không:

→0

≠0

Ở đây:
R - bán kính của vật liệu, m;
Λ - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, W/m.độ;
Đối với vật liệu mỏng ta có:
α =

.

,

, .

. 10

,

,

, W/m3.độ

(2.14)

, W/m3.độ

(2.15)

Đối với vật liệu dày ta có:
α =

.

,

, .

. 10

,

,

,

Trong các công thức trên:
T - nhiệt độ tuyệt đối của vật liệu, K;
ω0 - tốc độ khí ở điều kiện tiêu chuẩn khi lò hoàn toàn rỗng, m/s;

d - đường kính của vật liệu, m;
f - độ rỗng của vật liệu, f = 0 ÷ 1;
m = 1,3 khi làm nguội các cục than cốc;
m = 0,9 các trường hợp khác;
A - hệ số thực nghiệm, phụ thuộc vào vật liệu và công nghệ theo bảng sau:
Vật liệu

Nung nóng

Làm nguội

Quặng sắt

115

135

Đá vôi

65

75

Sa mốt

85

135

Kim loại dạng cầu

70

70

B - hệ số thực nghiệm, phụ thuộc vào vật liệu khi nung nóng, có các giá trị sau:
Với quặng sắt B = 16
Đá vôi

B = 166

Sa mốt

B = 135

Than cốc

B = 170


Các lò làm việc theo chế độ lớp chặt được phân thành ba nhóm đặc trưng:
- Nhóm thứ nhất bao gồm những lò đứng có buồng đốt riêng, trong lò không có
các phản ứng toả nhiệt hoặc thu nhiệt. Thí dụ như các lò đứng nấu chảy quặng đồng,
gang và hợp kim, lò nung vật liệu sa mốt dạng hạt... Đặc trưng của nhóm này là lò
đứng nấu gang;
- Nhóm thứ hai bao gồm những lò có buồng đốt riêng hoặc không gian đốt riêng
nhưng ở các vùng còn lại của lò vẫn xảy ra các phản ứng thu nhiệt hoặc tỏa nhiệt mang
ý nghĩa công nghệ. Thí dụ như các lò nung đá vôi, nung manhedit, lò cao luyện gang.
Đặc trưng của nhóm này là lò cao;
- Nhóm thứ ba bao gồm những lò mà quá trình đốt cháy nhiên liệu xảy ra trong

toàn bộ không gian chứa liệu và đồng thời có các phản ứng thu nhiệt hoặc toả nhiệt
mang ý nghĩa công nghệ. Thí dụ như các lò nấu chảy tinh quặng của đồng.
2.3.2. Chế độ lớp sôi
1. Một số đặc tính của lớp sôi
Ở chế độ lớp sôi, các vật liệu có kích thước nhỏ và tương đối đồng đều được
đẩy lên bởi dòng khí với tốc độ lớn, có giá trị thích hợp. Mật độ hạt trong lớp sôi có
giá trị nhỏ, lực ma sát giữa các hạt yếu hơn nhiều so với lớp chặt. Bề mặt trao đổi nhiệt
của vật liệu trong lớp sôi lớn hơn nhiều so với lớp chặt và gọi là bề mặt hoạt tính Sht,
được xác định theo công thức:
S

=

. .
,

.

.

=

.

, m2/m2.s

(2.16)

Với: H - chiều cao lớp vật liệu, m;
S - tiết diện ngang của lò, m2;

f - độ rỗng của lớp vật liệu;
d - đường kính của hạt vật liệu, m;
τ - thời gian vật liệu ở trong lớp sôi, s;
Tốc độ cần thiết để hình thành lớp sôi phụ thuộc chủ yếu vào kích thước, khối
lượng của hạt vật liệu. Đây là tốc độ dòng khí qua mặt cắt ngang của lò (coi như lò
hoàn toàn rỗng, không chứa vật liệu), ký hiệu là ωS. Lớp sôi tồn tại khi:
ωmin < ωS < ωmax
ωmin - giá trị tốc độ tối thiểu để bắt đầu hình thành lớp sôi;
ωmax - giá trị tốc độ làm cho lớp sôi bị phá hủy và chuyển sang trạng thái lớp lơ
lửng.
Các giá trị ωmax và ωmin được tính theo tiêu chuẩn Remin và Remax như sau:
Remin =
Remax=

Ar
1400  5, 22 Ar
Ar
18  0, 6 Ar

(2.17)
(2.18)


Trong đó Ar là tiêu chuẩn Archimed, đặc trưng tỷ số ma sát và lực đẩy
archimed:
Ar =
Re

gd 3 pV  pK
.

pK
v2

=

.

; Re

(2.19)
=

.

(2.20)

Sau khi tính được Remin ; Remax ta tính được ωmin ; ωmax theo công thức (2.20).
Với g - gia tốc trọng trường; d - đường kính hạt vật liệu; ν - độ nhớt động học;
ρV, ρK - khối lượng riêng của vật liệu và dòng khí.
Để đặc trưng cho trạng thái lớp sôi còn có thông số mS gọi là số sôi:
mS =

S
min

(2.21)

Quá trình hình thành lớp sôi được bắt đầu khi mS = 2, khi đó thể tích lớp vật
liệu tăng lên 15% so với lớp chặt. Hình 2.4 biểu thị các trạng thái của lớp sôi khi tốc
độ gió thay đổi.

Hình 2.4. Các trạng thái của lớp sôi khi tốc độ gió thay đổi
a . Thời kì bắt đầu hình thành lớp sôi, mS= 1 ÷ 2; b . Thể tích lớp vật liệu tăng 15%;
c . Sự tạo thành các bong bóng rỗng trong lớp vật liệu; d . Hình thành các lớp vật liệu
ở trạng thái lơ lửng.
Khi tốc độ gió thay đổi không những làm thay đổi trạng thái của lớp sôi mà còn
dẫn đến sự thay đổi trở lực của lớp hạt, tốc độ thực của dòng khí, hình 2.5 cho ta thấy
những sự thay đổi đó. Nếu lò có tiết diện tròn thì trở lực của lớp sôi được tính theo
công thức:


Hình 2.5. A. Quan hệ trở lực và tốc độ gió; B. Quan hệ tốc độ thực và tốc độ thổi
Wthực = f( s ); C. Quan hệ chiều cao lớp vật liệu H và tốc độ thổi ωs
p 

P
 H .g .( pV  pK )(1  f ), N/m2
Std

(2.22)

Trong đó: P - trọng lực của vật liệu trong lớp sôi, N;
Std - diện tích tự do của ghi lò (diện tích các lỗ thông gió), m2.
Thời gian vật liệu ở trạng thái sôi τ được tính:



H .S.(1  f ) pV
,h
G0 .k

(2.23)

Trong đó: G0 - năng suất thiết bị, kg/h;
k - hệ số hiệu chỉnh sự thay đổi thể tích của vật liệu trong quá trình sôi.
2. Sự trao đổi nhiệt trong lớp sôi
Sự trao đổi nhiệt trong lớp sôi được I.M.Federov tính toán theo phương trình
tiêu chuẩn với các công thức thực nghiệm sau:
Nu = 0,0151. Fe

,

. Re

,

.

,
đ

(2.24)

Trong phương trình (2.24) Fe = 30 ÷ 100.
Tiêu chuẩn Federov: Fe = dtd . 3

4 g V   K
.
K
3v 2

(2.25)


Trong đó: dtđ - đường kính tương đương của hạt vật liệu, m
dtd 

3

6.G
,
 .n.V

(2.26)

G - khối lượng hạt vật liệu trong một thể tích mẫu thực nghiệm, kg;
n - số hạt vật liệu của thể tích mẫu thực nghiệm G.
Khi Fe = 100 ÷ 200 thì Nu = 0,0283.Fe0,604.Re0,65.(

H -0,34
)
d dt

(2.27)

Sau khi tính được giá trị Nu ta sẽ xác định được hệ số trao đổi nhiệt α như đã
.
biết. α =
, W/m2.độ.
đ

Ngoài ra, α có thể tích gần đúng theo công thức sau:
α = 25+ 4,21. S0,63 , W/m2.độ

(2.28)

Khi coi quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng khí với vật liệu là ổn định (không tính
các tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh và nhiệt thu, hoặc tỏa ra do phản ứng hóa
học bên trong) ta có phương trình cân bằng nhiệt là:
Q   .Sth .ttb  G0

CV
(tV 2  tV 1 )  Std .S . p0 K .CK (t K 1  tK 2 ) , W
3600

(2.29)

Ở đây:
Sht – bề mặt hoạt tính của vật liệu, m2;
G0 - năng suất thiết bị kg/h;
CV - nhiệt dung riêng trung bình của vật liệu, J/kg.độ;
Ck - nhiệt dung riêng trung bình của khí, J/kg.độ;
Pok - khối lượng riêng của khí ở điều kiện tiêu chuẩn, kg/m3
Std - diện tích thông gió của lò ghi, m2 ;
ωtd - tốc độ của khí qua diện tích thông gió, m/s;
tv1,tv2 - nhiệt độ ban đầu và cuối của vật liệu, 0C;
tK1,tK2 - nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ cuối của khí ra khỏi lớp sôi, 0C;
0
Δttb - hiệu nhiệt độ trung bình logarit giữa khí và vật liệu, C;

3. Lĩnh vực sử dụng của lớp sôi
Trong kỹ thuật người ta thường sử dụng lớp sôi để sấy và gia công vật liệu. Ở
các thiết bị sấy thì năng lượng là do dòng khí mang vào, còn trong công nghệ gia công
quặng sunfua sắt, kẽm, đồng… Năng lượng cấp là năng lượng hóa học của chính bản
thân vật liệu. Lò lớp sôi làm việc với sự đốt cháy nhiên liệu ngay trong lớp, được sử
dụng để nung đá vôi, đôlomit… Người ta còn sử dụng lớp sôi để nung nóng các vật
phẩm bằng thép hoặc kim loại màu. Vật nung được treo trong lớp sôi, sự trao đổi nhiệt
với  = 500 ÷ 600 W/m2.độ, lớn hơn vài lần so với nung ở các buồng hoặc lò nung
liên tục.


2.3.3. Chế độ lớp lơ lửng
Như đã trình bày ở phần trên, khi ωs > ωmax thì lớp sôi bị phá vỡ và chuyển sang
lớp lơ lửng, hay khi số sôi ms = 50 ÷ 100 thì lớp lơ lửng bắt đầu hình thành.
Với chế độ lớp lơ lửng, vật liệu có kích thước rất nhỏ và vận tốc dòng khí đủ
lớn, sao cho cân bằng giữa lực trọng trường tác động lên hạt vật liệu với lực nâng do
dòng khí thổi lên, theo phương trình:
d3
6

.( V   K ).g   .

d2
4

. K .

 2K
2

(2.30)

Ở đây:
ζ – là hệ số trở lực;
 K – là tốc độ dòng khí;

Phương trình cân bằng nhiệt ở lớp lơ lửng có thể viết:
 (t K  tV ) FV .d  C1 (TK4  TV4 ) FV .d  C2 (TV4  TT4 ) FV .d  q.VV V  0

(2.31)

Với  - hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, W/m2.độ;
C1 - hệ số trao đổi nhiệt giữa khí và vật liệu, W/m2.K4;
C2 - hệ số trao đổi nhiệt giữa vật liệu và tường lò, W/m2.K4;
TT - nhiệt độ của tường lò, K;
VV - thể tích của vật liệu, m3;
FV - diện tích bề mặt của vật liệu, m2.
Do tốc độ dòng khí lớn nên ta tính α theo chế độ đối lưu cưỡng bức khí Re = 20
÷ 400, khi đó: Nu = 0,2.Re0,83
(2.32)
Phụ thuộc vào sự chuyển động tương đối giữa vật liệu và dòng khí ta có các chế
độ làm việc theo lớp lơ lửng với sự chuyển động cùng chiều thẳng đứng từ dưới lên, từ
trên xuống, chuyển động ngược chiều, chuyển động nằm ngang cùng chiều.
Chế độ làm việc theo lớp lơ lửng được sử dụng trong các lò nung hoặc sấy các
quặng sunfua, dung dịch cô của sunfua kẽm, đồng, trong các hệ thống sấy sữa bột, sấy
cát, sấy bột thuốc… So sánh với các lò nung khác có cùng công nghệ thì lò làm việc
theo lớp lơ lửng có năng suất tương đối cao, thuận lợi hơn nhiều so với lò ống quay, lò
thiêu nhiều tầng.

Chương 3: NHIÊN LIỆU VÀ THIẾT BỊ ĐỐT NHIÊN LIỆU
3.1. Thiết bị đốt nhiên liệu rắn
3.1.1. Sự cháy của nhiên liệu rắn
Khi đốt nhiên liệu rắn ta có quá trình cháy dị thể giữa thể rắn là viên than và thể
khí là oxy của không khí cùng chất bốc. Khi than được nung trên 200oC thì chất bốc
thoát ra. Đó là các chất khí cháy được tách ra khỏi than như: H2, CO, CH4, CnHm...
Lượng chất bốc phụ thuộc vào thành phần hóa học của than. Than càng già hàm lượng
cacbon càng lớn thì nhiệt độ bắt đầu thoát ra chất bốc càng cao.
Sự cháy nhiên liệu được tính từ khi chất bốc tham gia phản ứng cháy với ôxy,
sinh nhiệt năng và kết thúc quá trình cháy phát triển. Khi kết thúc quá trình thoát chất
bốc thì sự cháy của cacbon bắt đầu và đây là quá trình cháy chủ yếu với các phản ứng
đặc trưng sau:
1. Cháy cacbon (cháy sơ cấp)
C + O2 → CO2 + 339,253 kJ/mol
2C + O2 → 2 CO + 246,623 kJ/mol
2. Phân hủy CO2 và hơi nước (cháy thứ cấp)
C + CO2 → 2 CO - 162,530 kJ/mol
C + 2H2O → CO2 + 2H2 - 65,294 kJ/mol
3. Cháy tiếp khí CO (cháy thứ cấp)
2CO + O2 → 2CO2 + 571,683 kJ/mol
Tốc độ cháy của nhiên liệu rắn phụ thuộc vào tốc độ phản ứng hóa học giữa oxy
và cacbon, vào tốc độ khuếch tán của oxy. Vì thế cần tạo cho gió có khối lượng và áp
suất nhất định trong buồng đốt. Than có ít chất bốc cần gió có áp suất lớn hơn so với
than có nhiều chất bốc.
Đốt cháy nhiên liệu rắn có thể theo hai quá trình: Đốt cháy hoàn toàn và không
hoàn toàn (còn gọi là đốt bán khí). Ở quá trình đốt cháy hoàn toàn thì lượng không khí
cung cấp cho quá trình cháy được đưa cả 100% qua dưới ghi và có áp suất đủ lớn để
thắng trở lực của ghi, của lớp than và tham gia phản ứng cháy với cacbon. Vì vậy,
chiều dày của lớp than trên mặt ghi lò thường là (200 ÷ 250)mm và quá trình cháy xảy
ra chủ yếu trong buồng đốt. Khi đốt cháy không hoàn toàn (chỉ thích hợp với than có

nhiều chất bốc) thì lớp than trên mặt ghi lò có chiều dày lớn hơn (300 ÷ 500)mm và
chỉ cần 60% lượng gió cấp (gió cấp 1) đưa qua dưới ghi, 40% còn lại (gió cấp 2) được
đưa vào không gian phía trên buồng đốt để cháy tiếp khí CO bốc lên từ dưới than.
3.1.2. Các loại buồng đốt
1. Buồng đốt ghi phẳng
Cấu tạo buồng đốt ghi phẳng đơn giản và các kiểu lò ghi được trình bày trên
hình 3.1 và 3.2.
Loại thanh ghi được dùng với các loại than có kích thước trung bình và lớn.
Loại ghi này chế tạo đơn giản, thay thế dễ dàng nhưng không được dùng với loại than
vụn và khó khăn trong việc đánh xỉ.