Nghiên cứu vai trò truyền nhiệt của tường lò quay xi măng

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHẠM THỊ HẠNH

TÒM TẮT ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU VAI TRÒ TRUYỀN NHIỆT CỦA TƯỜNG LÒ
QUAY XI MĂNG

Chuyên ngành :

KỸ THUẬT NHIỆT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2011


LỜI CAM ĐOAN
Luận văn thạc sỹ " Nghiên cứu vai trò truyền nhiệt của tường lò quay xi
măng ", được hoàn thành bởi tác giả Phạm Thị Hạnh- học viên lớp Cao học Kỹ
thuật nhiệt, khoá 2009 - 2011, Viện Nhiệt – Lạnh, Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội.
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi, kết quả nêu trong
luận văn này là hồn tồn trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.

Hà nội, ngày 30 tháng 09 năm 2011
Tác giả luận văn

Phạm Thị Hạnh

1


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin được bày tỏ sự cảm ơn chân thành tới viện đào tạo sau đại học,viện
Nhiệt Lạnh trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và thầy giáo GS.TSKH. Đặng
Quốc Phú đã giúp đỡ tôi trong việc lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp, sự hướng
dẫn tận tình, ủng hộ thường xuyên cũng như sự động viên của thầy trong quá trình
thực hiện luận văn là cơ sở để tơi hồn thành bản luận văn này. Bên cạnh đó thầy
cũng đưa ra những đánh giá tổng kết sâu sắc và gợi mở hướng phát triển của đề tài
nghiên cứu trong tương lai.
Tôi cũng chân thành gửi lời cảm ơn tới :
Ban giám hiệu, lãnh đạo khoa Cơ khí trường đại học Sao Đỏ đã tạo điều
kiện về thời gian cho tơi được tham gia và hồn thành khóa học tại trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội.
Ban Giám đốc cơng ty cùng tồn thể cán bộ cơng nhân viên tại phân xưởng
lị II cơng ty xi măng Hồng Thạch đã tận tình giúp đỡ tơi trong q trình thực tập
tại công ty.
Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt tới những người thân trong gia
đình, bạn bè và đồng nghiệp – với sự quan tâm, động viên và ủng hộ nhiệt tình của
họ đối với tơi trong suốt thời gian thực hiện đề tài này
Trong quá trình thực hiện luận văn khơng thể tránh khỏi những sai sót, tác giả
rất mong những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp.
Hải Dương tháng 09 năm 2011
Phạm Thị Hạnh

2

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2
MỤC LỤC ...................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU- CÁC CHỮ VIẾT TĂT .............................................6
DANH MỤC CÁC BẢNG ..........................................................................................8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................9
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................11
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .....................................................................................11
2. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU ..................................................................................11
3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI
NGHIÊN CỨU ......................................................................................................12
Chương I : Tổng quan về q trình truyền nhiệt trong lị quay xi măng .............12
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....................................................................12
CHUƠNG I: TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG LỊ
QUAY XI MĂNG ......................................................................................................13
1.1 CÁC Q TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG LỊ QUAY XI MĂNG .....13
1.1.1 Trao đổi nhiệt bằng bức xạ ........................................................................13
1.1.2 Trao đổi nhiệt bằng đối lưu .......................................................................18
1.1.3 Trao đổi nhiệt khi vật liệu tiếp xúc với tường lò. ......................................21
1.1.4 Các phương pháp tính sự truyền nhiệt trong lị quay xi măng ..................25
1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TRÌNH CÂN
BẰNGNHIỆT TRONG LỊ QUAY ......................................................................29
1.2.1 Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt vật liệu tiếp xúc với khia ..........29

3

1.2.2 Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt tường tiếp xúc với khí ..............32
1.2.3 Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt tường tiếp xúc với vật liệu........36
1.2.4 Phương trình cân bằng nhiệt tổng qt cho tường lị ................................38
1.2.5 Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt vật liệu tiếp xúc với tường .......39
1.2.6 Phương trình cân bằng nhiệt cho vật liệu ..................................................41
1.2.7 Phương trình cân bằng năng lượng cho khí ..............................................42
1.2.8 Phương trình của q trình truyền nhiệt bên trong . .................................44
1.3 HỆ PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ...............................................................47
CHƯƠNG II: VAI TRÒ TRUYỀN NHIỆT CỦA TƯỜNG LÒ QUAY XI MĂNG
...................................................................................................................................51
2.1 Truyền nhiệt khi nhiệt độ bề mặt thay đổi tuần hoàn. .....................................51
2.2 Tổng quan về nhà máy xi măng Hồng Thạch ................................................54
2.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển của cơng ty ............................................54
2.2.2 Tổng quan về hề thống lị quay tai phân xưởng II- cơng ty xi măng Hồng
Thạch .....................................................................................................................57
2.2.3 Khảo sát lị quay II tại cơng ty xi măng Hoang Thạch..............................57
CHƯƠNG III: THIẾT LẬP MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT
HIỆU QUẢ TRONG LÒ QUAY XI MĂNG ............................................................59
3.1 PHƯƠNG PHÁP TÍNH VÀ CÁC GIẢ THIẾT ..............................................59
3.1.1 Phân vùng và kích thước vùng tính tốn. ..................................................59
3.1.2 Tổn thất nhiệt ra mơi trường xung quanh..................................................61
3.1.3 Tính tốn lượng nhiệt truyền bằng đối lưu................................................63
3.1.4 Tính tốn lượng nhiệt truyền bằng dẫn nhiệt ............................................64
3.1.5 Tính tốn lượng nhiệt truyền bằng bức xạ ................................................67
3.2 Mơ hình hóa q trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng .............................70

4


3.2.1 Mơ hình xác định nhiệt trở hiệu quả .........................................................70

3.2.2 Tính tốn nhiệt trở hiệu quả ......................................................................75
3.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới vai trò truyền nhiệt của tường lò quay ...................86
KẾT LUẬN- KHUYẾN NGHỊ.................................................................................89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................90 
 
 

5


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU- CÁC CHỮ VIẾT TĂT
Ký hiệu

Thứ nguyên

Ý nghĩa

1

2

3

t

0

T

0

α

C

Nhiệt độ

K

Nhiệt độ

W/m2 0K

ε

Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
Độ đen

20

4

Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối

δ

W/m K

C’

KJ/m3 tc.độ

λ

W/m.độ

Hệ số dẫn nhiệt

C

KJ/kg.độ

Nhiệt dung riêng khối lượng

ρ

kg/m3

Khối lượng riêng

a

m2/s

Hệ số dẫn nhiệt độ

Q

W

qB

Kcal/kgnl

Tiêu tốn nhiệt riêng

B

Kgnl/h

Tiêu tốn nhiên liệu

ϕ

%

Hệ số điền đầy

L,l

m

Chiều dài

D

m

Đường kính

F, ∆A

m2

Diện tích

V

m3

Thể tích

σ=5,67.10-8 W/m2 0K4
Nhiệt dung riêng thể tích

Dịng nhiệt

6


1

2

3

τ

s

Thời gian

ω

m/s

Tốc độ

M

Kg/h

Lưu lượng khối lượng của vật liệu
Chỉ số

Ký hiệu chân

Ký hiệu mũ

G

Khí

λ:

Dẫn nhiệt

W

Tường

α:

Đối lưu

S

Vật liệu

ε:

bức xạ

tc

Tiêu chuẩn

x,y,z

Tọa độ

U

Mơi trường

 

 
 
 

 
 
 
 
 
 

7


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Phân vùng tính tốn theo chiều dài lị ....................................................59 
Bảng 3.2 Tổn thất nhiệt theo kích thước lị ............................................................62 
Bảng 3.3: Tính chất vật lý của vật liệu và lớp lót ...................................................65 
Bảng 3.4 Độ đen của vật liệu và tường lị ...............................................................69 
Bảng 3.6 Thơng số tính tốn cho lị quay xi măng II-Hồng Thạch ....................76 
Bảng 3.7 Kết quả tính tốn các hệ số bức xạ hiệu dụng tại các vùng ...................81 
Bảng 3.8 Kết quả tính tốn các nhiệt trở hiệu quả của 3 vùng tương ứng trong lò
quay xi măng. ...........................................................................................................82 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 

8


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 : Mơ hình trao đổi nhiệt cho bề mặt vật liệu tiếp xúc với khí ......30
Hình 1.2 : Mơ hình trao đổi nhiệt cho bề mặt tường tiếp xúc với khí .........33
Hình1.3 : Mơ hình trao đổi nhiệt cho bề mặt tường tiếp xúc với vật liệu ...36
Hình 1.4 : Mơ hình trao đổi nhiệt cho bề mặt tường lị ...............................38
Hình 1.5:Mơ hình trao đổi nhiệt cho bề mặt vật liệu tiếp xúc với tường lị 40
Hình 1.6 Mơ hình cân bằng nhiệt cho vật liệu ............................................41
Hình 1.7 Mơ hình cân bằng năng lượng cho khí .........................................43
Hình 1.9 : Mơ hình q trình truyền nhiệt trong lị quay ............................48
Hình 1.10: Sơ đồ điện biểu diễn tổng quát cơ chế truyền nhiệt trong lị
quay xi măng ...............................................................................................48
Hình 2.1 : Hệ thống lị quay ........................................................................55
Hình 2.2 Nhiệt độ nhỏ nhất dọc theo chiều dài lị .......................................58
Hình 2.3 Nhiệt độ lớn nhất dọc theo chiều dài lò ........................................58
Bảng 3.5 Độ đen của vật liệu và tường lị ...................................................69
Hình 3.1 Sơ đồ mơ hình điện mơ tả q trình truyền nhiệt trong lị quay xi
măng ............................................................................................................70
Hình 3.2 sơ đồ mơ hình điện mơ tả q trình tổng hợp các điện trở mắc
song song .....................................................................................................71
Hình 3.3 Sơ đồ điện sau khi tổng hợp các điệm trở mắc nối tiếp ...............72

Hình 3.4 Sơ đồ điện tương đương khi biến đổi sao thành tam giác ............72
Hình 3.5 Sơ đồ điện tương đương khi tổng hợp các điện trở mắc nối tiếp
nhau..............................................................................................................73
Hình 3.6 Sơ đồ điện tương đương sau khi biến đổi mắc nối tam giác thành
nối sao ..........................................................................................................73

9


Hình 3.7 Sơ đồ điện tương đương sau khi tổng hợp hai điện trở song
•
•
•
≅ ( RSG
// RSW
) ............................................................................74
song RSGW
Hình 3.8 Sơ đồ điện tương đương khi biến đổi các điện trở
( RG• , • SGW , • UG ) nối tam giác thành nối sao..............................................74
Hình 3.9 Sơ đồ mơ tả điện trở hiệu quả của quá trình truyền nhiệt trong lị
quay xi măng ...............................................................................................75
Bảng 3.6 Thơng số tính tốn cho lị quay xi măng II-Hồng Thạch ...........76
Bảng 3.7 Kết quả tính tốn các hệ số bức xạ hiệu dụng tại các vùng .........81
Bảng 3.8 Kết quả tính tốn các nhiệt trở hiệu quả của 3 vùng tương ứng
trong lò quay xi măng. .................................................................................82
Hình 3.11Đồ thị biểu thị giá trị nhiệt trở hiệu quả của vùng 2....................83
Hình 3.10 Đồ thị biểu thị giá trị nhiệt trở hiệu quả của vùng 1...................83
Hình 3.12 Đồ thị biểu thị giá trị nhiệt trở hiệu quả của vùng 3..................84
Hình 3.4 Đồ thị thể hiện trị số ReffGS tại 3 vùng ..........................................85
Hình 3.5 Đồ thị thể hiện trị số ReffGS, RεWS,G , Rλ,α,εWS,G tại 2 vùng ...........86 

 

10


MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Đất nước Việt Nam của chúng ta đang trong thời kỳ cơng nghiệp hố và hiện
đại hoá nên vấn đề về nguồn năng lượng là một trong những vấn đề cấp thiết trong
tất cả các ngành nghề mà đặc biệt hơn cả là công nghệ sản xuất xi măng. Ngồi
những yếu tố về cơng nghệ thì thiết bị đóng vai trị rất quan trọng trong việc sản
xuất ra 1đơn vị khối lượng xi măng/ một đơn vị nhiên liệu là ít nhất. Hiệu quả của
quá trình sản xuất ấy được quyết định bởi một trong các yếu tố đó là lị quay hay
nói cách khác đó là các q trình truyền nhiệt trong lị quay.
Đã có rất nhiều nhà khoa học trong và ngồi nước có các cơng trình nổi tiếng
khi nghiên cứu về lị quay như: Xây dựng mơ hình tốn học xác định nhiệt độ tối ưu
cho lò quay xi măng, thay đổi các yêu tố công nghệ để nâng cao hiệu suất lị
quay…Tường lị ngồi nhiệm vụ cơ lập q trình cháy trong lị với mơi trường bên
ngồi thì cịn nhiệm vụ rất quan trọng đó là bề mặt truyền nhiệt cho vật liệu.Tuy
nhiên việc xác định vai trò truyền nhiệt của tường lị quay vẫn cịn ít được đề cập
đến. Từ tính cấp thiết đó nên tơi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu vai trò truyền nhiệt
của tường lò quay xi măng”
2. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU
Hiện nay để đánh giá vai trò truyền nhiệt của tường lò quay và các yếu tố ảnh
hưởng đến q trình truyền nhiệt đó nhằm đưa ra biện pháp làm tăng hiệu suất lò,
giảm giá thành sản phẩm và tiết kiệm nguồn nhiên liệu, với lý do đó đã có một số
tác giả đi nghiên cứu cân bằng nhiệt bên trong lò để xác đinh nhiệt độ cuả vật liệu,
khí, tường nhưng chưa đi sâu vào đánh giă, tìm ra nhiệt lượng trao đổi chủ yếu
trong lò. Việc đưa ra các đánh giá về vai trò của các dòng nhiệt và vai trò của tường

lò giúp chúng ta dễ dàng xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả truyền
nhiệt. Từ đó có định hướng tăng hoặc giảm các yếu tố ảnh hướng sao cho hiệu quả
truyên nhiệt từ khí cho vật liệu là lớn nhất.

11


3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI
NGHIÊN CỨU
Với thời gian có hạn, luận văn tập trung vào xây dựng mơ hình sơ đồ nhiệt
điện trở thể hiện các q trình trao đổi nhiệt trong lị quay xi măng, từ đó tìm được
nhiệt trở hiệu quả của q trình truyền nhiệt trong lị quay và tìm ra nhiệt trở hiệu
quả lớn nhất làm cơ sở để xét các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt trở hiệu quả lớn nhất
cũng như tác động đến dòng nhiệt trao đổi lớn nhất khi lị hoạt động.
Qúa trình trao đổi nhiệt trong lị quay khác so với các lị khơng quay là ở chỗ
bề mặt nhận nhiệt được đổi mới liên tục, tường lị khi thì tiếp xúc với dịng khí,
nhận được nhiệt sau đó lại tiếp xúc với vật liệu và truyền nhiệt cho nó, q trình đó
ln xảy ra khi lò quay. Còn các hạt vật liệu cũng ln chuyển động khi thì nằm
trên bề mặ lớp liệu, khi thì lưu trú trong lịng lớp nên bề mặt nhận nhiệt của lớp vật
liệu cũng không cố định và có độ nhám phụ thuộc vào cỡ hạt vật liệu. Do đó q
trình trao đổi nhiệt giữa các phần tử vậ chất bên trong lò quay là rất phức tạp nên
trong luận văn này khơng nghiên cứu q trình cân bằng nhiệt trong lò cũng như sự
phân bố nhiệt độ trong lò mà đi sâu vào nghiên cứu vai trò truyền nhiệt của tường lị
quay trong q trình lị hoạt động để thấy ảnh hưởng của tốc độ quay có vai trị như
thế nào trong q trình truyền nhiệt đó.
Nội dung của luận văn được trình bày thành các chương như sau:
Chương I : Tổng quan về quá trình truyền nhiệt trong lò quay xi măng
Chương II : Vai trò truyền nhiệt của tường lò quay xi măng
Chương III:Thiết lập mơ hình các định hệ số truyền nhiệt hiệu quả trong lị
quay xi măng

4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tìm hiểu lý thuyết, khảo sát thực tế phân tích phân tích các số liệu đo thực tế
để làm cơ sở tính tốn và xác định được vai trò truyền nhiệt của tường lò quay xi
măng.

12


CHUƠNG I: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG LỊ
QUAY XI MĂNG
1.1 CÁC Q TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG LỊ QUAY XI MĂNG
Lị cơng nghiệp nói chung và lị quay nói riêng có chức năng cơ bản là thực
hiện quá trình gia nhiệt cho vật liệu theo đúng yêu cầu cơng nghệ. Trong lị quay,
lượng nhiệt giải phóng do đốt cháy nhiên liệu được truyền tới vật liệu nhờ:
-

Bức xạ của ngọn lửa và khí lị

-

Đối lưu giữa dịng khói lị và vật liệu

-

Bức xạ của tường lị

-

Truyền nhiệt khi vật liệu tiếp xúc với tường lò.
Lượng nhiệt truyền cho vật liệu được biểu diễn bằng biểu thức:

QS = Q ε G . S

+ Qα G−S

+ Q ε WS ,G

+ QWS ,W

=

0

(1-1)

Gía trị của từng đại lượng trong biểu thức (1-1) phụ thuộc vào nhiều yếu tố và thay
đổi dọc theo chiều dài của lị. Tính tốn thật chính xác các giá trị này là điều đặc
biệt khó khăn. Dưới đây sẽ đề cập tới bản chất, vai trò của từng dạng trao đổi nhiệt
cũng như một vài phương pháp tính gần đúng các số hạng của phương trình (1-1)
1.1.1 Trao đổi nhiệt bằng bức xạ
Cơ chế truyền nhiệt trong lị quay cực kỳ phức tạp, các q trình bức xạ, đối
lưu, dẫn nhiệt đồng thời xảy ra, đặc biệt quá trình trao đổi nhiệt liên hệ mật thiết với
quá trình cháy của nhiên liệu và quá trình biến đổi lý hoá của vật liệu.
Trao đổi nhiệt bằng bức xạ đóng vai trị quan trọng nhất trong các q trình
trao đổi nhiệt. Trong lị quay, do nhiệt độ cao, mà cường độ quá trình trao đổi nhiệt
bức xạ phụ thuộc rất đáng kể vào mức nhiệt độ của quá trình, nên so với lượng nhiệt
trao đổi bằng đối lưu và dẫn nhiệt, thực tế theo A.C.Hebckuu [1] nó thường chiếm
khoảng 70÷ 75 % tổng lượng nhiệt mà vật liệu nhận được trong lò quay.

13

Hay là:
Q ε GS + Q ε WS
QS

=

0,70

÷

0,75

Bức xạ ở đây bao gồm cả bức xạ của chất khí và bức xạ của chất rắn. Dịng
khí trong lị là hỗn hợp của sản phẩm cháy và bụi bốc ra từ vật liệu. Sản phẩm cháy
được tạo thành từ quá trình bốc cháy của nhiên liệu trong khơng khí và ln đóng
vai trị chất tỏa nhiệt. Đặc biệt trong vùng cháy, lượng nhiệt phát ra rất lớn, nhiệt độ
của dịng khí tăng nhanh, do vậy lượng nhiệt trao đổi bằng bức xạ cũng rất lớn so
với các vùng khác. Trong lò quay , dịng khí ln bức xạ nhiệt cho tường lò, cho bề
mặt hở của lớp vật liệu, nên theo hướng dịch chuyển của nó, nhiệt độ của vật liệu
tăng lên, đạt giá trị cực đại và giảm xuống trước khi ra khỏi lị do nó truyền nhiệt
cho khí đợt 2, cịn nhiệt độ khí đạt cực đại trịng vùng cháy và giảm dần theo chiều
dài lò.
Trong thời gian tiếp xúc với dịng khí, do nhận được nhiệt, nhiệt độ tường lò
tăng lên, lớn hơn nhiệt độ vật liệu, nên cũng xảy ra sự trao đổi nhiệt bằng bức xạ
giữa tường lị với vật liệu.
Bức xạ của khí trong lị quay là bức xạ hỗn hợp cuả khí có chứa bụi, muội
than. Khả năng hấp thụ tia bức xạ của dịng khí được biểu hiện bằng hệ số làm yếu
tia K, phụ thuộc vào các thành phần các chất khí trong hỗn hợp, nồng độ bụi và kích
thước hạt bụi, loại bụi.

Trong vùng cháy, bức xạ của khói lị được thay bằng bức xạ của ngọn lửa,
ngọn lửa trong lò quay chủ yếu là ngọn lửa chiếu sáng, ngay cả khi dùng nhiên liệu
khí vì khơng gian lị lớn, hàm lượng bụi trong lò cao. Xác định trao đổi nhiệt bức xạ
giữa ngọn lửa và các bề mặt nhận nhiệt nói chung cũng như trong lị quay nói riêng
là bài tốn phức tạp vì cấu trúc ngọn lửa khơng đồng nhất, nhiệt độ khơng đồng đều,
q trình trao đổi nhiệt phụ thuộc vào hình dáng lị và ngọn lửa, phụ thuộc vào loại

14


nhiên liệu và chế độ làm việc của lò. Bức xạ cơ bản trong ngọn lửa than bụi là bức
xạ rắn do các cốc nóng sang phát ra.
Q trình trao đổi nhiệt bằng bức xạ giữa dịng khí, tường lị và vật liệu
không những phụ thuộc vào nhiệt độ của q trình mà cịn phụ thuộc vào độ đen
của các bề mặt trao đổi nhiệt. Độ đen của lớp lót phụ thuộc vào loại vật liệu chịu lửa
gắn trong lò. Nói chung độ đen của lớp lót lị quay có thể xem là không phụ thuộc
vào nhiệt độ và phụ thuộc vào loại vật liệu chịu lửa được sử dụng. Ở vùng có nhiệt
độ cao do có một lớp vật liệu nóng chảy bám trên bề mặt lớp lót nên độ đen của lớp
vật liệu này chính là độ đen của lớp vật liệu rắn ( lớp cô la). Độ đen của vật liệu gia
nhiệt chịu ảnh hưởng của sự thay đổi các tính chất vật lý, hóa học của nó, thành
phần cỡ hạt và nhiệt độ trong quas trình gia nhiệt. Độ đen của vật liệu trong các
vùng sấy, nung sơ bộ là khoảng 0.7, còn tại vùng cháy của nhiên liệu, do nhiệt độ
cao nên có một lớp vật liệu mỏng nóng chảy bám vào tường lị tạo thành một lớp
bảo vệ tường lò, độ đen của vật liệu và tường lị tại đây đều có giá trị 0.88 ([2]).
Theo [3] độ đen của vật liệu tăng nếu kích thước các hạt của nó nhỏ hơn
0.1mm và giảm khi tăng nhiệt độ.
Độ đen của dịng khí thay đổi dọc theo chiều dài lò trong vùng cháy, độ đen
của ngọn lửa phụ thuộc vào loại nhiên liệu, cấu tạo vịi phun, tốc độ phun, tỷ lệ và
nhiệt độ khí đợt 2…nói một cách tổng quát là nó phụ thuộc vào quá trình cháy và
trao đổi nhiệt xảy ra đồng thời, cịn ở các vùng khác độ đen của khói được quyết

định bởi thành phần sản phẩm cháy, hàm lượng bụi, hàm lượng hơi nước và CO2
thoát ra từ vật liệu trong q trình gia nhiệt và nhiệt độ khói lị.
Khi độ đen của dịng khí tăng, năng lượng bức xạ của nó tăng. Độ đen của
dịng khí trong vùng cháy khá lớn. Nhưng việc tăng độ đen của dòng khí do cháy
khơng hồn tồn nhiên liệu khi cung cấp nhiệt không làm giảm nhiệt độ cháy. Theo
[2] ảnh hưởng của việc tăng độ đen dịng khí (εG>0.6) tỷ số giữa đường kính ngọn

15


lửa và đường kính lị (

dφ
〉 0.5 ) đến việc tỏa nhiệt cho vật liệu yếu hơn so với việc
Dn

giảm nhiệt độ cháy. Việc tăng nhiệt độ cháy để bù trừ độ đen nhỏ của dịng khí làm
rút ngắn và tập trung ngọn lửa. Nhưng khi ngọn lửa sáng và dài sẽ xảy ra phân bố
đồng đều nhiệt độ trong vùng cháy. Khi độ đen của dịng khí εG gần đến 1, nhiệt độ
của lớp lót lị gần với nhiệt độ của dịng khí, cịn khi hạ thấp εG thì nó gần với nhiệt
độ của vật liệu. Tỷ số

dφ
, vị trí và hướng vịi phun, các điều kiện hỗn hợp của
Dn

dịng từ vịi phun tới dịng khí chung, xác định kích thước và nhiệt độ của lớp khí
giữa ngọn lưả và vật liệu, chúng ảnh hưởng quan trọng đến sự truyền nhiệt nói
chung, đặc biệt đối với trao đổi nhiệt bức xạ nói riêng.
Trong lị quay xi măng, q trình trao đổi nhiệt bức xạ và cháy liên hệ chặt

chẽ với quá trình chuyển động của vật liệu nung. Chu trình ln chuyển của các hạt
vật liệu trong lị quay bao gồm: chu kỳ rơi đến bề mặt hở của lớp vật liệu và chu kỳ
lưu trú trong lòng lớp. Thời gian các hạt vật liệu tiếp xúc với dòng khí τSG rất nhỏ so
với thời gian nó lưu trú trong lịng lớp. Khi tiếp xúc với dịng khí, hạt vật liệu được
gia nhiệt để rồi lại truyền cho các hạt xung quanh khi nó lưu trú trong lịng lớp.
Theo cơng trình nghiên cứu của Folliot [3], trong vùng cháy của nhiên liệu khi vật
liệu lưu lại trên bề mặt lớp trong ½ giây thì nhiệt độ của nó tăng lên 2500C. Điều
này chứng tỏ lượng nhiệt vật liệu nhận được chủ yếu bằng bức xạ từ dịng khí và
tường lò trong thời gian rơi và lưu lại trên bề mặt vật liệu.
Tuân theo đặc tính bức xạ của các vật rắn nói chung, bức xạ của các hạt vật
liệu cũng có đặc tính bề mặt. Điều đó có nghĩa là, bức xạ nhiệt từ dịng khí và lớp
lót chỉ nung được lớp vật liệu trên bề mặt, trên một chiều dày rất nhỏ, sau đó trong
thời gian lưu trú trong lớp vật liệu thì nhiệt độ được làm đều theo chiều dày lớp.
Theo [2] độ tăng nhiệt độ bề mặt có thể tính theo cơng thức:

16


τ SG
1.τ SG
1
∆t S = .1,25.q S .
.
2
τ SG + τ SW 3600.λ S .C S .ρ S

(1-2)

Trong đó:
qS: mật độ dòng nhiệt qua bề mặt của lớp vật liệu

τ SG , τ SW : thời gian vật liệu tiếp xúc với khí , tường lị
λ S , C S , ρ S : hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng khối lượng riêng của vật liệu

Trong lị quay ngồi dịng bức xạ hướng tâm cịn có dịng bức xạ dọc trục; giữa các
phần tử lân cận nhau của lò cũng có trao đổi nhiệt bức xạ.
Trong một loạt các cơng trình nghiên cứu đều ghi nhận khó khăn khi tính
trao đổi nhiệt bức xạ theo hướng dọc trục từ vòi phun đến đầu lạnh của lò. Sự trao
đổi nhiệt này và cả mức độ đồng đều nhiệt độ của dịng khí phụ thuộc chủ yếu vào
tiêu chuẩn Bo:
Bo =

θn
σ .T 4 lt .D 2

Trong đó:
θ n : cơng suất nhiệt của lò
Tlt : nhiệt độ lý thuyết

D : đường kính lị

Lượng nhiệt vật liệu nhận bằng bức xạ được tính bằng nhiều cơng thức khác
nhau. Theo [2]: lượng nhiệt mà vật liệu nhận được trong vùng đốt nóng một cách
gần đúng có thể xác định theo cơng thức:

17


q bx XM = q bx M =

l

1
.{δ .ε G .ε M [ XM .(1 − ε G ) + 1].[T 4 G −
l XM
l GM
.(1 − ε G ).[ε M + ε G .(1 − ε M )] + ε G
l GM

(TM + ∆TM ) 4 − q XM .ε M .(1 − ε G ).

l XM
l GM

}
(1-3)

Trong đó:
lXM : chiều dài dây cung do lớp liệu tạo lên
lGW: chiều dài dây cung do lớp lót lị
Lượng nhiệt bức xạ do vật liệu hoàn lại trong vùng làm nguội
q bx XM = q bx M =

1
l XM
.(1 − ε G ).[ε M + ε G .(1 − ε M )] + ε G
l GM

[(TM − ∆TM ) 4 − T 4 G ] − q dn XM . −

.{δ .ε G .ε M [

2.qtt .Bkl .1000
l
).(ε M .(1 − ε G ). XM
π .Dn .L
l GM

l XM
.(1 − ε G ) + 1].
l GM

}
(1-4)

Trong đó:
q dnXM: mật độ dịng nhiệt tường lò truyền cho vật liệu bằng dẫn nhiệt
qtt: mật độ dịng nhiệt tổn thất ra mơi trường xung quanh
Bkl: cơng suất lị
1.1.2 Trao đổi nhiệt bằng đối lưu
Trong lò quay lượng nhiệt trao đổi bằng đối lưu nhỏ hơn nhiều so với lượng
nhiệt trao đổi bằng bức xạ, nó chỉ chiếm khoảng (8- 10)% tổng lượng nhiệt trao đổi
theo Folliot [3] ta có:
Q α GS
= 0,8 ÷ 1
QS
18


Đặc điểm tiêu biểu của điều kiện truyền nhiệt nói chung cũng như của trao
đổi nhiệt đối lưu nói riêng trong lò quay là ở chỗ : bề mặt nhận nhiệt được đổi mới
liên tục, tường lò khi tiếp xúc với dịng khí, nhận được nhiệt sau đó lại tiếp xúc với

vật liệu và lại truyền lại nhiệt cho nó, q trình đó ln xảy ra trong lị quay, nên tuy
tốc độ quay của lò nhỏ nhưng trao đổi nhiệt đối lưu giữa khí và tường lị cũng khác
trao đổi nhiệt đối lưu trong ống cố định. Còn các hạt vật liệu cũng ln chuyển
động, khi thì nằm trên bề mặt lớp liệu, khi thì lưu trú trong lịng lớp nên bề mặt
nhận nhiệt của vật liệu cũng không cố định và có độ nhám phụ thuộc vào cỡ hạt vật
liệu. Do đó lớp liệu ln bị sáo trộn, sự sáo trộn lớp biên cịn chịu ảnh hưởng của
q trình biến đổi hóa, lý vật liệu trong lị như sự phân hủy của cacbonat tạo ra CO2,
quá trình bốc hơi nước, quá trình trình tạo bụi… những yếu tố này vừa ảnh hướng
tới sự hình thành, ổn định và chiều dày của lớp biên nói trên bề mặt vật liệu vừa làm
thay đổi tính chất vật lý của chất mang nhiệt mà cụ thể là dịng khí, và do đó ảnh
hưởng nhiều đến quá trình trao đổi nhiệt đối lưu. Vì nhiệt độ của vật liệu và khí ở
các vùng lò khác nhau, chênh nhau lớn nên vai trò của quá trình trao đổi nhiệt bằng
đối lưu cũng thay đổi theo chiều dài lị.
Ngồi ra, q trình trao đổi nhiệt đối lưu cịn liên quan chặt chẽ với các q
trình chuyển động và sự biến đổi hóa, lý của vật nung, trong các q trình này các
thơng số lưu lượng khói, tốc độ khí , tốc độ vật liệu, thành phần cỡ hạt vật liệu,
nồng độ bụi chứa trong dòng khí, của vật liệu và lớp lót đếu thay đổi khơng chỉ theo
chiều dài lị mà cịn thay đổi cả theo tiết diện lò nên cường độ trao đổi nhiệt đối lưu
tại những vùng khác nhau của lị cũng khơng giống nhau.
Lượng nhiệt truyền từ khí tới vật liệu và tường lị bằng đối lưu có thể tính
bằng cơng thức sau:
Trong vùng nung vật liệu theo [2] tính:
q dl XS = α dl [t G − (t S + ∆t S )]

Trong vùng làm nguội
19


q dl XM = α dl [(t M + ∆t M ) − t G ]

Lượng nhiệt truyền bằng đối lưu khi tới tường lò
q dl GW = α dl [(t G − tW )

Như đã trình bày ở trên, ∆tM không những ảnh hưởng tới lượng nhiệt truyền
bằng đối lưu của khí cho vật liệu mà cịn ảnh hưởng đến trao đổi nhiệt bức xạ giữa
chúng. Thành phần và kích thước cỡ hạt cũng ảnh hưởng đến q trình trao đổi
nhiệt đối lưu vì nó ảnh hưởng đến q trình ln chuyển động của hạt và sự chuyển
động của bụi. Khi tăng kích thước các hạt vật liệu nung với các điều kiện khác
không đổi, tiêu chuẩn Bio tăng và do vậy sự đồng đều nhiệt độ của vật liệu tăng.
Các tính tốn của [4] đã chỉ ra rằng, kích thước các hạt vật liệu cần khơng nhỏ hơn
1,5 ÷2,0mm đối với lị đường kính 4m và khơng lớn hơn 8÷12mm đối với lị đường
kính 6m.
Việc tăng tốc độ quay của lò liên quan đến sự thay đổi ∆tM và tới việc tăng
cường độ trao đổi nhiệt nói chung cũng như trao đổi nhiệt đối lưu nói riêng. Sự phụ
thuộc của mức độ đồng đều nhiệt độ vật liệu vào tốc độ quay của lị.
Theo [2] ta có: ∆t M = f (τ MG , τ MW , λ M , C M , ρ M ) việc định chính xác các giá trị λ, C, ρ
của vật liệu tại các tiết diện lị khác nhau rất khó khăn, do đó thơng thường trong
tính tốn người ta thường sử dụng các giá trị trung bình. Theo số liệu Folliot [3], đối
với hỗn hợp nguyên liệu bao gồm những hạt có kích thước từ một vài centimet đến
vài chục milimets λM=0,108 Kcal/m.h.độ, CM=0,22 Kcal/kgđộ;
1
⎞
/ m 2 .h 2 .đo ⎟⎟ .
⎠

⎛

ρM=1250 Kcal/m3. ⎜⎜ λ M c M ρ M = 0,0104
⎝

Đối với nguyên liệu có cùng cỡ hạt λM=0,072 Kcal/m.h.độ , CM=0,26Kcal/kgđộ;
⎛

1
⎞
/ m 2 .h 2 .đo ⎟⎟ .
⎠

ρM=1000 Kcal/m3. ⎜⎜ λ M c M ρ M = 0,0071
⎝

20


Đối với các hạt Clanhke λM=1 Kcal/m.h.độ; ρM=3000 Kcal/m3
Vấn đề cơ bản trong tính tốn lượng nhiệt trao đổi bằng đối lưu là xác định
hệ số tỏa nhiệt đối lưu αđl. Trong các tài liệu có rất nhiều cơng thức tính αđl. Bên
cạnh các cơng thức kinh điển để tính đối với trường hợp khi chất lỏng chuyển động
trong ống cịn một loạt các cơng thức có tính đến sự đặc thù của quá trình trao đổi
nhiệt bằng đối lưu trong lị quay ... Việc phân tích và so sánh các cơng thức tính
tốn sẽ cho phép xác định được một cơng thức tính tốn chính xác và thuận lợi.
Theo [1], hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong vùng cháy, trên đoạn chiều dài 5D từ
đầu lị có thể tìm được từ cơng thức:
Nu=Y.Re0.67 và α dl =

Nu..λG
D

(1-5)

Trong đó:
Y: Hệ số phụ thuộc vào tỷ số giữa đường kính lị với đường kính vịi phun

Dn
d

ở những phần cịn lại của lị, theo [8] có thể tính được bằng cơng thức
Nu= 0,018.Re0.8.Z và α dl =

Nu..λG
D

Hệ số Z được xác định theo tỷ số

(1-6)
L
, trong đó L là khoảng cách tính từ đầu lị.
Dn

1.1.3 Trao đổi nhiệt khi vật liệu tiếp xúc với tường lò.
Trong lò quay, tường lò nhận được nhiệt khi tiếp xúc với dịng khí, sau đó nó
lại truyền một phần nhiệt lượng đã nhận được cho vật liệu khi chúng tiếp xúc với
nhau. Hiện nay, gặp phải hai quan điểm tính tốn lượng nhiệt trao đổi khi tường tiếp
xúc với vật liệu:
-

Tính tốn lượng nhiệt đó theo phương pháp truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt

21

-

Tính tốn lượng nhiệt đó theo phương pháp truyền nhiệt bằng bức xạ và đối
lưu

Theo quan điểm thứ nhất, tường lị sau khi nhận được nhiệt do dịng khí truyền cho
bằng bức xạ và đối lưu, sẽ truyền một phần lượng nhiệt mà nó đã nhận được cho vật
liệu bằng dẫn nhiệt.
Ứng với mỗi vòng quay của lò, trong chu kỳ tiếp xúc với dịng khí, nhiệt độ
của lớp lót tường lò tăng, còn trong chu kỳ tiếp xúc với vật liệu thì nhiệt độ của nó
giảm, theo [2], nhiệt độ dao động của lớp lót trong 1 vịng quay của lị khoảng 150
÷2000C.
Lượng nhiệt của lớp lót truyền cho vật liệu khi tiếp xúc trực tiếp là: qwsdn
q dn WS = q bx GW + q dl GW − qtt = 0

(1-7)

Từ phương trình trên ta thấy rõ rằng: trong lò quay cũng như một số thiết bị khác,
lớp lót với chức năng cách nhiệt, cịn giữ vai trị trung gian truyền nhiệt từ dịng khí
cho vật liệu.
Khi tiếp xúc trực tiếp với lớp lót, các hạt vật liệu trong lớp rất mỏng sát bề
mặt tiếp xúc được nung nóng cịn sau đó trong thời gian lưu trú trong lớp vật liệu thì
nhiệt độ được làm đồng đều. Theo chiều dày lớp, nhiệt độ vật liệu trên bề mặt tiếp
xúc với lớp lót cao hơn nhiệt độ trong lớp, độ chênh nhiệt độ trung bình giữa hai nơi
đó có thể xác định theo công thức của [2]:
τ SW
τ SW
1
2

.
.
∆t g = .1,25.q dn WS .
3
τ SW +τ SG 3600 λ S .C S .ρ S

Trong đó:
τ SW : Thời gian vật liệu tiếp xúc với lớp lót
τ SG : Thời gian vật liệu tiếp xúc với dịng khí

22

(1-8)


Nhiệt lượng lớp lót truyền cho vật liệu bằng dẫn nhiệt theo [2] có thể xác định theo
cơng thức:
dn
qWM
= 0,00115.

t
τ MW
λ .C .ρ .3600
.( G ) 2 . M M M
.[t G − (t M − ∆t g )]
τ MW + τ MG 100
τ MW

(1-9)

thay (1-8) vào (1-9) ta được:
dn
qWM
= 0,00115.

τ MW + τ MG t G 2 λ M .C M .ρ M .3600
.(
) .
.
τ MW
τ MW
100

⎡
⎤
τ MW
τ MW
dn
.
)⎥
⎢t G − (t M + 0,833.qWM .
τ MW + τ MG λ M .C M .ρ M .3600 ⎦⎥
⎣⎢

Sau khi biến đổi ta có:
0,00115.
dn
=
qWM

τ MW + τ MG t G 2 λ M .C M .ρ M .3600
.(
) .
.(t G − t M )
τ MW
τ MW
100
t
τ + τ MG
1 + 0,000958( G ) 2 . MW
τ MW
100

(1-10)

Từ công thức trên ta thấy lượng nhiệt lớp lót truyền cho vật liệu bằng dẫn nhiệt phụ
thuộc vào nhiệt độ của dịng khí, nhiệt độ vật liệu , quá trình chuyển động của vật
liệu và thơng số vật lý của nó.
q WMdn cũng có thể được xác định theo cơng thức của Xogopob [2]
dn
qWM
= 0,318.

τ MW + τ MG
.α .(t G − t M )
τ MW

(1-11)

Trong đó:
α: hệ số trao đổi nhiệt
tG: nhiệt độ khói lị

23


tB: nhiệt độ khơng khí bao quanh lị
Hệ số α phụ thuộc vào các hằng số vật lý của vật liệu cũng như của lớp lót và thời
gian nung.
Q trình trao đổi nhiệt trong lị quay là khơng ổn định, trong tường lò nhiệt lượng
chủ yếu được truyền theo phương hướng kính với

δt
= ±10 4 độ/m, trong khi độ
δr

chênh lệch nhiệt độ trên 1m chiều dài ở hai hướng còn lại khơng vượt q 1000C
nên có thể xem :

δt
δt
= 0 . Mặt khác chiều dày lớp lót bé hơn nhiều so với
= 0,
r.δϕ
δz

đường kính nên tường lị có thể xem như một tấm phẳng để tính tốn mà khơng gây
ra sai số đáng kể
Phương trình vi phân dẫn nhiệt trong tường lị vì thế có dạng:

δt
δ 2t
= a. 2
δτ
δr

Như sẽ trình bày chi tiết trong chương 2 lượng nhiệt tường lò truyền cho vật liệu khi
chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau có thể tính theo cơng thức sau:
Q=

1

π

.FWS .ρ S .C S . A0 . a

.2.π .n

Trong đó:
FWS : diện tích tiếp xúc của tường với vật liệu

ρ S , C S , a S : thông số vật lý của tường lò
A0 : biên độ dao động nhiệt độ của bề mặt tường lò

n: Tần số [1/h] (số vòng quay của lò trong 1 giờ)

24

(1-12)