Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các công trình công nghiệp, đặc biệt là các phân xưởng gia công cơ khí, rèn dập, đúc và nhiệt luyện kim loại, lượng nhiệt thừa, khí thải và bụi độc hại phát sinh từ quá trình sản xuất tác động trực tiếp đến sức khỏe của người lao động cũng như hiệu suất vận hành của máy móc. Đồ án "Tính toán và Thiết kế Hệ thống Thông gió" được thực hiện tại Bộ môn Vi khí hậu, Khoa Kỹ thuật Môi trường, Trường Đại học Xây dựng dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Huy Tiến (năm 2023). Đề tài giải quyết bài toán thiết kế hệ thống thông gió công nghiệp nhằm khử nhiệt thừa, hơi độc và bụi phát sinh trong phân xưởng sản xuất cơ khí - nhiệt luyện.

Mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật của đồ án bao gồm:

  1. Thu thập, lựa chọn các thông số vi khí hậu ngoài nhà và xác định tiện nghi nhiệt trong nhà tại địa điểm xây dựng (tỉnh Lai Châu).
  2. Xác định các chỉ tiêu truyền nhiệt của kết cấu bao che phân xưởng (tường, mái, cửa sổ, cửa đi, nền nhà).
  3. Tính toán toàn diện cán cân nhiệt của công trình trong cả hai chế độ mùa đông và mùa hè, bao gồm: nhiệt tổn thất qua kết cấu, rò gió, nung vật liệu; nhiệt tỏa ra từ người, thiết bị điện, chiếu sáng, vật liệu nung để nguội, các lò nung, bể dung dịch; và nhiệt bức xạ mặt trời.
  4. Tính toán, thiết kế hệ thống thông gió cục bộ (chụp hút mái đua trên cửa lò nung, panen hút bàn hàn, hút bụi máy mài, máy nén khí, hoa sen không khí) và xác định điều kiện hút tự nhiên hoặc hút cơ khí.
  5. Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt - lưu lượng, xác định lưu lượng thông gió tự nhiên, thông gió chung và tính toán thủy lực mạng lưới đường ống để chọn quạt và thiết bị xử lý.

Phạm vi không gian nghiên cứu là một phân xưởng công nghiệp có kích thước mặt bằng dài 54 m, rộng 9 m, chiều cao tường 7 m và chiều cao đỉnh mái 9,8 m, đặt tại tỉnh Lai Châu; phạm vi thời gian tính toán bao gồm chế độ vận hành điển hình vào tháng 8 (mùa hè) và tháng 1 (mùa đông).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án áp dụng hệ thống lý thuyết kỹ thuật vi khí hậu, trao đổi nhiệt công trình và cơ học chất khí trong thông gió công nghiệp, dựa trên các quy chuẩn và tài liệu kỹ thuật chuyên ngành:

  • Quy chuẩn xây dựng: Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia QCVN 02:2009/BXD về Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng để tra cứu các thông số nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc gió và hướng gió chủ đạo tại tỉnh Lai Châu.
  • Tài liệu tham khảo chuyên ngành:
    • Giáo trình Kĩ thuật Thông gió của GS. Trần Ngọc Chấn (phương pháp xác định truyền nhiệt qua nền, tính toán khí động luồng khí nổi và trở lực đường ống).
    • Giáo trình Thiết kế thông gió công nghiệp và giáo trình Thông gió của tác giả Hoàng Thị Hiền và TS. Bùi Sỹ Lý (phương pháp xác định nhiệt tỏa từ lò nung, tính toán bức xạ mặt trời, phân tích thông số nhiệt vật lý).
    • Phương pháp tính toán luồng nổi và chụp hút mái đua theo mô hình của GS. Sepelev.

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật (Engineering Analytical Calculation) kết hợp phương pháp nội suy và giải phương trình cân bằng:

  • Phương pháp cân bằng nhiệt động: Lập phương trình cân bằng nhiệt tổng thể giữa nhiệt tỏa, thu nhiệt bức xạ và tổn thất nhiệt để tìm lượng nhiệt thừa $Q_{th}$.
  • Phương pháp động học chất khí: Tính toán lưu lượng khí nổi thoát ra từ cửa lò nung thông qua chuẩn số Acsimet ($Ar$), áp suất thừa trung bình và hệ số lưu lượng; xác định kích thước hình học tối ưu của chụp hút.
  • Phương pháp thủy lực mạng lưới ống gió: Xác định tổn thất áp suất ma sát dọc đường và tổn thất áp suất cục bộ để so sánh với áp suất nhiệt tạo bởi trọng lực $\Delta P_{tl}$, từ đó quyết định phương án hút tự nhiên hay cưỡng bức.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Chọn thông số tính toán và kết cấu bao che

Chương này xác định các thông số khí tượng ngoài trời tại tỉnh Lai Châu theo QCVN 02:2009/BXD và xác lập điều kiện vi khí hậu tiện nghi trong nhà xưởng, làm cơ sở biên cho toàn bộ quá trình tính toán nhiệt.

Thông số Mùa Đông (Tháng 1) Mùa Hè (Tháng 8)
Nhiệt độ ngoài nhà ($t_N$) $13,6^\circ\text{C}$ $32,0^\circ\text{C}$
Độ ẩm tương đối ngoài nhà ($\varphi_N$) $81,1%$ $86,7%$
Vận tốc gió ngoài nhà ($v_N$) $1,1\text{ m/s}$ (Bắc: $13,3%$) $0,7\text{ m/s}$ (Nam: $11,7%$)
Nhiệt độ tính toán trong nhà ($t_T$) $20,0^\circ\text{C}$ $34,0^\circ\text{C}$
Độ ẩm tương đối trong nhà ($\varphi_T$) $70,0%$ $70,0%$
Vận tốc gió trong nhà ($v_T$) $0,6\text{ m/s}$ $1,5\text{ m/s}$

Về kết cấu ngăn che, tác giả tính toán hệ số truyền nhiệt $K$ cho từng bộ phận:

  • Tường chịu lực: 3 lớp gồm vữa xi măng dày $15\text{ mm}$ ($\lambda_1 = 0,93\text{ W/mK}$), gạch xây dày $220\text{ mm}$ ($\lambda_2 = 0,81\text{ W/mK}$), vữa xi măng dày $15\text{ mm}$ ($\lambda_3 = 0,93\text{ W/mK}$); tổng nhiệt trở $R = 0,46\text{ m}^2^\circ\text{C/W}$, hệ số truyền nhiệt $K = 2,166\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$.
  • Cửa đi: Tôn dày $2\text{ mm}$ ($\lambda = 58\text{ W/mK}$), $K = 6,340\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$.
  • Cửa sổ và cửa mái: Kính xây dựng dày $5\text{ mm}$ ($\lambda = 0,76\text{ W/mK}$), $K = 6,088\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$.
  • Mái che: Tôn một lớp dày $0,4\text{ mm}$ ($\lambda = 50\text{ W/mK}$), $K = 6,342\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$.
  • Nền nhà: Không cách nhiệt, phân chia thành 4 dải tính toán với diện tích và hệ số truyền nhiệt: Dải 1 ($F_I = 236\text{ m}^2$, $k_1 = 0,4\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$), Dải 2 ($F_{II} = 204\text{ m}^2$, $k_2 = 0,2\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$), Dải 3 ($F_{III} = 46\text{ m}^2$, $k_3 = 0,1\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$).

Chương II: Tính toán tổn thất nhiệt

Tác giả xác định toàn bộ các nguồn tổn thất nhiệt của phân xưởng theo 3 thành phần chính:

  1. Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che ($Q_{kc}^{tt}$): Được tính theo công thức $Q_{kc}^{tt} = K \cdot F \cdot \Delta t \cdot \psi$. Kết quả tổng tổn thất qua tường, cửa sổ, cửa đi, cửa mái, mái tôn và nền vào mùa đông đạt $64.491,3\text{ W}$, vào mùa hè đạt $7.762,1\text{ W}$.
  2. Tổn thất do rò gió qua khe cửa ($Q_{ro}$): Phụ thuộc vào chiều dài khe cửa, loại cửa và chênh lệch áp suất gió. Mùa đông (gió hướng Bắc, vận tốc $2,6\text{ m/s}$) lượng gió rò qua $192\text{ m}$ khe cửa sổ gây tổn thất $8.493,2\text{ W}$. Mùa hè (gió Đông Nam) tổn thất rò gió đạt $3.917,2\text{ W}$ (trong đó cửa đi chiếm $1.605,4\text{ W}$).
  3. Tổn thất do nung nóng vật liệu đưa vào xưởng ($Q_{vl}$): Thép đưa vào phân xưởng có nhiệt dung riêng $C = 0,48\text{ kJ/kg}^\circ\text{C}$, định mức $G' = 350\text{ kg/m}^2$ diện tích đáy lò, hệ số nhận nhiệt không đều $\beta = 0,6$. Tổn thất này tính trên 6 loại lò nung (lò rèn, lò đứng, lò buồng, lò gang, lò nhôm, lò sấy khuôn) đạt $3.738,3\text{ W}$ vào mùa đông và $906,3\text{ W}$ vào mùa hè.
Thành phần tổn thất nhiệt Mùa Đông (W) Mùa Hè (W)
Tổn thất qua kết cấu bao che $64.491,3$ $7.762,1$
Tổn thất do rò gió qua khe cửa $8.493,2$ $3.917,2$
Tổn thất do nung nóng nguyên vật liệu $3.738,3$ $906,3$
Tổng nhiệt lượng tổn thất $76.722,8$ $12.585,6$

Chương III: Tính toán tỏa nhiệt và thu nhiệt

Chương này tính toán chi tiết tất cả các nguồn phát sinh nhiệt bên trong xưởng và lượng nhiệt hấp thụ từ bức xạ mặt trời:

  • Tỏa nhiệt do người ($Q_n$): Tính cho 50 công nhân làm việc nặng ($\beta_1 = 1,15$). Mùa đông mặc áo ấm ($\beta_2 = 0,4$), lượng nhiệt hiện tỏa ra là $79\text{ W/người}$, tổng $Q_n = 3.950\text{ W}$; mùa hè lượng nhiệt hiện là $515\text{ W}$.
  • Tỏa nhiệt chiếu sáng ($Q_{cs}$): Chiếu sáng bằng đèn huỳnh quang ($\eta_1 = 0,7$, $\eta_2 = 1$), suất công suất $a = 12\text{ W/m}^2$, tổng nhiệt tỏa $Q_{cs} = 4.082,4\text{ W}$.
  • Tỏa nhiệt từ động cơ và thiết bị điện ($Q_{dc}$): Thống kê 21 danh mục thiết bị điện trong phân xưởng (máy búa, máy mài, máy cưa, máy ép, máy cắt đột, quạt gió, máy hàn, lò điện trở đứng $36\text{ kW}$, lò điện trở buồng $30\text{ kW}$...) với tổng công suất $N = 201,25\text{ kW}$. Lượng nhiệt tỏa tính với hệ số đồng thời và mang tải $\mu_1 \cdot \mu_2 \cdot \mu_3 \cdot \mu_4 = 0,25$ đạt $Q_{dc} = 50.312,5\text{ W}$.
  • Tỏa nhiệt do vật liệu nung để nguội ($Q_{sp}$):
    • Quá trình không đổi pha (lò điện trở đứng, lò buồng, lò rèn, lò sấy khuôn): Tỏa ra $184.707,2\text{ W}$ (mùa đông) và $182.041,8\text{ W}$ (mùa hè).
    • Quá trình có đổi pha (làm nguội gang từ $1500^\circ\text{C}$ xuống và nhôm từ $900^\circ\text{C}$ xuống): Tỏa ra $897.614,4\text{ W}$ (mùa đông) và $887.990,4\text{ W}$ (mùa hè).
    • Tổng nhiệt tỏa do sản phẩm để nguội: $1.082.321,6\text{ W}$ (mùa đông) và $1.070.032,2\text{ W}$ (mùa hè).
  • Tỏa nhiệt từ kết cấu lò nung ($Q_{lo}$): Lò nấu gang ($1500^\circ\text{C}$) tỏa nhiệt qua thành lò ($13.450,8\text{ W}$), nóc lò ($3.903,1\text{ W}$), đáy lò ($2.101,7\text{ W}$), cửa lò khi đóng và mở ($10.161,5\text{ W}$), tổng cộng $29.617,1\text{ W}$. Từ lò mẫu, tác giả nội suy cho 5 hệ thống lò còn lại, thu được tổng nhiệt tỏa từ lò là $101.169,5\text{ W}$ (mùa đông) và $99.356,6\text{ W}$ (mùa hè).
  • Tỏa nhiệt từ 2 bể dầu/nước nóng ($Q_{be}$): Nhiệt độ dung dịch $45^\circ\text{C}$, tỏa nhiệt qua thành, đáy và mặt thoáng đạt $241,74\text{ W}$ (mùa đông) và $58,6\text{ W}$ (mùa hè).
  • Thu nhiệt bức xạ mặt trời ($Q_{bx}$): Vào mùa hè, bức xạ truyền qua cửa kính đạt $2.587,9\text{ W}$ (hướng Bắc $115,2\text{ m}^2$ kính với $q_{bx} = 52\text{ W/m}^2$); bức xạ truyền qua mái do chênh lệch nhiệt độ và dao động nhiệt độ tổng cộng đưa tổng nhiệt bức xạ mùa hè lên $155.135,4\text{ W}$.
Khoản mục nhiệt lượng Mùa Đông (W) Mùa Hè (W)
Tỏa nhiệt do người ($Q_n$) $3.950,0$ $515,0$
Tỏa nhiệt động cơ thiết bị ($Q_{dc}$) $50.312,5$ $50.312,5$
Tỏa nhiệt chiếu sáng ($Q_{cs}$) $4.082,4$ $4.082,4$
Tỏa nhiệt vật liệu để nguội ($Q_{sp}$) $1.082.321,6$ $1.070.032,2$
Tỏa nhiệt từ các lò nung ($Q_{lo}$) $101.169,5$ $99.356,6$
Tỏa nhiệt từ bể nóng ($Q_{be}$) $241,74$ $58,6$
Tổng lượng nhiệt tỏa $1.242.077,7$ $1.224.357,3$
Bức xạ mặt trời ($Q_{bx}$) $0,0$ $155.135,4$
Tổn thất nhiệt ($Q_{tt}$) $76.722,8$ $12.585,6$
Tổng nhiệt thừa ($Q_{th}$) $1.318.800,5$ $1.392.078,3$

Chương IV: Tính toán thông gió cục bộ

Chương IV thực hiện tính toán khí động và xác lập kích thước miệng chụp hút mái đua đặt phía trên cửa các lò công nghiệp, phân tích khả năng thải khói bằng sức đẩy nhiệt tự nhiên:

                 Luồng khí nổi bốc lên (Lx)

  1. Lò nấu gang ($1500^\circ\text{C}$):

    • Áp suất thừa tâm cửa lò: $\Delta P_o \approx 0\text{ Pa}$, mật độ khí trong lò $\rho_l = 0,21\text{ kg/m}^3$, vùng làm việc $\rho_T = 1,15\text{ kg/m}^3$.
    • Vận tốc khí thoát ra cửa lò: $v_o = 2,7\text{ m/s}$; lưu lượng khí qua cửa lò: $L_l = 1.166,4\text{ m}^3/\text{h}$ ($244,9\text{ kg/h}$).
    • Kích thước cửa $400 \times 300\text{ mm}$, đường kính tương đương $d_{td} = 0,39\text{ m}$. Độ lệch luồng $x = 0,52\text{ m}$.
    • Kích thước miệng chụp: Chiều rộng $b = 0,7\text{ m}$, độ nhô ra $l = 1,7\text{ m}$.
    • Lưu lượng hỗn hợp khí vào chụp: $L_x = 2.014,4\text{ m}^3/\text{h}$, không khí phòng bị cuốn theo $L_{kk} = 848\text{ m}^3/\text{h}$.
    • Nhiệt độ hỗn hợp trong chụp: $t_{hh} = 328^\circ\text{C}$.
    • Kiểm tra thủy lực ống hút: Với ống tôn $D = 500\text{ mm}$, chiều cao $h = 10,3\text{m}$, vận tốc dòng $v = 4,5\text{ m/s}$, tổng trở lực ống $\Delta P_{cản} = \Delta P_{ms} + \Delta P_{cb} = 2,3 + 9,8 = 12,1\text{ Pa}$. Sức đẩy trọng lực $\Delta P_{tl} = 56,6\text{ Pa}$. Do $\Delta P_{tl} > \Delta P_{cản}$, hệ thống hoàn toàn đảm bảo khả năng hút tự nhiên.

  2. Lò nấu nhôm ($900^\circ\text{C}$):

    • Vận tốc khí thoát: $v_o = 2,4\text{ m/s}$, lưu lượng khí qua cửa lò $L_l = 1.036,8\text{ m}^3/\text{h}$, lưu lượng cuốn vào $L_x = 1.998,1\text{ m}^3/\text{h}$, $t_{hh} = 224^\circ\text{C}$.
    • Kích thước chụp: $b = 0,7\text{ m}$, $l = 1,2\text{ m}$.
    • Đường ống: $D = 500\text{ mm}$, $h = 10,3\text{m}$, $v = 4,3\text{ m/s}$, $\Delta P_{cản} = 12,78\text{ Pa} < \Delta P_{tl} = 39,4\text{ Pa} \rightarrow$ Hút tự nhiên.

  3. Lò điện trở kiểu đứng ($650^\circ\text{C}$):

    • Vận tốc khí thoát: $v_o = 1,8\text{ m/s}$, lưu lượng khí qua cửa lò $L_l = 777,6\text{ m}^3/\text{h}$, lưu lượng hỗn hợp $L_x = 1.584,3\text{ m}^3/\text{h}$, $t_{hh} = 183^\circ\text{C}$.
    • Kích thước chụp: $b = 0,7\text{ m}$, $l = 1,2\text{ m}$.
    • Đường ống: $D = 500\text{ mm}$, $h = 10,3\text{m}$, $v = 3,34\text{ m/s}$, $\Delta P_{cản} = 8,2\text{ Pa} < \Delta P_{tl} = 38,4\text{ Pa} \rightarrow$ Hút tự nhiên.

  4. Lò điện trở kiểu buồng ($650^\circ\text{C}$):

    • Các thông số tương tự lò điện trở kiểu đứng: $v_o = 1,8\text{ m/s}$, $L_l = 777,6\text{ m}^3/\text{h}$, $L_x = 1.584,3\text{ m}^3/\text{h}$, $t_{hh} = 183^\circ\text{C}$.
    • Kích thước chụp: $b = 0,7\text{ m}$, $l = 1,2\text{ m}$, ống $D = 500\text{ mm}$, $h = 10,3\text{m}$, $\Delta P_{cản} = 8,2\text{ Pa} < \Delta P_{tl} = 38,4\text{ Pa} \rightarrow$ Hút tự nhiên.

Các nội dung cân bằng lưu lượng và tính toán thủy lực tiếp theo

Theo cấu trúc mục lục của đồ án, các phần tiếp theo bao gồm:

  • Cân bằng nhiệt và lưu lượng thông gió: Lập hệ phương trình cân bằng nhiệt và khối lượng để xác định lưu lượng không khí cần trao đổi nhằm khử lượng nhiệt thừa $1.392.078,3\text{ W}$ vào mùa hè; tính toán thông gió tự nhiên qua cửa lấy gió và cửa mái $F_2$, tính toán lưu lượng thông gió hút chung.
  • Tính toán thủy lực và lựa chọn thiết bị:
    • Hệ thống thổi chung và hệ thống thổi hoa sen không khí cho vị trí thao tác cục bộ.
    • Hệ thống hút cục bộ panen cho bàn hàn hơi và thiết bị phun kim loại.
    • Hệ thống hút cục bộ cho 2 bể chứa dầu và nước nóng.
    • Hệ thống hút bụi cơ học và xử lý bụi cho cụm máy mài 2 đá và máy nén khí di động.
    • Tính toán tổn thất áp suất toàn phần và chọn công suất động cơ quạt cho từng tuyến ống chuyên biệt.

Thiết kế kỹ thuật và tính toán hệ thống

Dưới đây là bảng tổng hợp thông số kỹ thuật thiết kế của 4 cụm chụp hút mái đua thải nhiệt tự nhiên trên cửa các lò nung công nghiệp:

Đại lượng kỹ thuật Lò nấu gang Lò nấu nhôm Lò điện trở đứng Lò điện trở buồng
Nhiệt độ trong lò ($t_l$) $1500^\circ\text{C}$ $900^\circ\text{C}$ $650^\circ\text{C}$ $650^\circ\text{C}$
Diện tích đáy lò $2,25\text{ m}^2$ $2,25\text{ m}^2$ $2,89\text{ m}^2$ $2,80\text{ m}^2$
Kích thước cửa lò ($A \times B$) $400 \times 300\text{ mm}$ $400 \times 300\text{ mm}$ $400 \times 300\text{ mm}$ $400 \times 300\text{ mm}$
Vận tốc khí qua cửa lò ($v_o$) $2,7\text{ m/s}$ $2,4\text{ m/s}$ $1,8\text{ m/s}$ $1,8\text{ m/s}$
Lưu lượng khí từ lò ($L_l$) $1.166,4\text{ m}^3/\text{h}$ $1.036,8\text{ m}^3/\text{h}$ $777,6\text{ m}^3/\text{h}$ $777,6\text{ m}^3/\text{h}$
Lưu lượng hỗn hợp vào chụp ($L_x$) $2.014,4\text{ m}^3/\text{h}$ $1.998,1\text{ m}^3/\text{h}$ $1.584,3\text{ m}^3/\text{h}$ $1.584,3\text{ m}^3/\text{h}$
Nhiệt độ hỗn hợp hút ($t_{hh}$) $328^\circ\text{C}$ $224^\circ\text{C}$ $183^\circ\text{C}$ $183^\circ\text{C}$
Kích thước miệng chụp ($l \times b$) $1,7 \times 0,7\text{ m}$ $1,2 \times 0,7\text{ m}$ $1,2 \times 0,7\text{ m}$ $1,2 \times 0,7\text{ m}$
Đường kính ống hút ($D$) $500\text{ mm}$ $500\text{ mm}$ $500\text{ mm}$ $500\text{ mm}$
Chiều cao ống hút ($h$) $10,3\text{ m}$ $10,3\text{ m}$ $10,3\text{ m}$ $10,3\text{ m}$
Sức đẩy nhiệt trọng lực ($\Delta P_{tl}$) $56,6\text{ Pa}$ $39,4\text{ Pa}$ $38,4\text{ Pa}$ $38,4\text{ Pa}$
Tổng trở lực đường ống ($\Delta P_{cản}$) $12,1\text{ Pa}$ $12,78\text{ Pa}$ $8,2\text{ Pa}$ $8,2\text{ Pa}$
Phương thức vận hành Hút tự nhiên Hút tự nhiên Hút tự nhiên Hút tự nhiên

Kết quả và đóng góp

  1. Xác lập bảng cân bằng nhiệt lượng chi tiết: Đồ án đã định lượng chính xác các nguồn nhiệt trong phân xưởng cơ khí - luyện kim tại Lai Châu. Kết quả cho thấy nguồn phát nhiệt lớn nhất là quá trình làm nguội vật liệu sau nung ($1.082.321,6\text{ W}$ mùa đông và $1.070.032,2\text{ W}$ mùa hè, chiếm hơn $80%$ tổng lượng nhiệt tỏa), tiếp theo là nhiệt tỏa từ thân và cửa lò nung ($101.169,5\text{ W}$ mùa đông) và động cơ điện ($50.312,5\text{ W}$). Tổng nhiệt thừa cần thải là $1.318.800,5\text{ W}$ (mùa đông) và $1.392.078,3\text{ W}$ (mùa hè).
  2. Tối ưu hóa giải pháp hút nhiệt tại nguồn không dùng năng lượng điện: Bằng việc tính toán động học luồng nổi và kiểm tra chênh lệch cột áp trọng lực so với trở lực ma sát/cục bộ của đường ống $D = 500\text{ mm}$, tác giả đã chứng minh cả 4 loại lò nhiệt độ cao ($650^\circ\text{C} - 1500^\circ\text{C}$) đều thỏa mãn điều kiện hút thải tự nhiên qua mái nhà xưởng ($\Delta P_{tl} > \Delta P_{cản}$), giúp tiết kiệm chi phí năng lượng quạt hút cục bộ.
  3. Đưa ra giải pháp phân vùng thông gió hợp lý: Kết hợp giữa hút tự nhiên nhiệt độ cao tại các miệng lò nung, hút cơ khí panen cho các điểm phát sinh hơi độc hại (bàn hàn, thiết bị phun), hút bụi cơ học cho máy mài/máy nén khí, và cấp gió tươi hoa sen làm mát cục bộ cho vị trí công nhân làm việc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Các hệ số đồng thời làm việc của động cơ ($\mu_1 \dots \mu_4 = 0,25$) và hệ số nhận nhiệt của vật liệu nung ($\beta = 0,5 - 0,6$) được lấy theo giá trị kinh nghiệm trung bình của sổ tay thiết kế, chưa xét đến tính chu kỳ biến thiên theo từng ca sản xuất thực tế.
    • Số liệu bức xạ mặt trời sử dụng mốc tính toán đơn lẻ vào thời điểm 15h tháng 7, chưa mô phỏng động học tải nhiệt theo chuỗi thời gian liên tục 24 giờ.
  • Hướng phát triển:
    • Ứng dụng mô phỏng động lực học chất lưu (CFD - Computational Fluid Dynamics) để kiểm tra trường vận tốc và trường nhiệt độ phân bố thực tế trong xưởng.
    • Đánh giá khả năng thu hồi nhiệt thải từ luồng khí nóng $183^\circ\text{C} - 328^\circ\text{C}$ ở các ống hút khói lò để phục vụ cấp nhiệt sấy hoặc gia nhiệt sơ bộ nguyên liệu.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là tài liệu tham khảo trực tiếp cho:

  • Sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Môi trường, Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Công trình (HVAC): Cung cấp quy trình từng bước chuẩn mực về tính toán cân bằng nhiệt xưởng công nghiệp, phương pháp tra cứu QCVN 02:2009/BXD và công thức tính hệ số truyền nhiệt kết cấu bao che đa lớp.
  • Cán bộ thiết kế cơ điện (MEP): Tham khảo các công thức và quy trình khí động luồng nổi để thiết kế chụp hút mái đua trên miệng lò nung, panen hút bàn hàn và tính toán kiểm tra điều kiện hút tự nhiên.

Câu hỏi thường gặp

1. Địa điểm xây dựng và điều kiện khí hậu ngoài nhà tính toán của công trình là gì?
Công trình đặt tại tỉnh Lai Châu. Theo QCVN 02:2009/BXD, vào mùa hè (tháng 8), nhiệt độ tính toán ngoài nhà là $32,0^\circ\text{C}$, độ ẩm $86,7%$, vận tốc gió $0,7\text{ m/s}$ (hướng Nam). Vào mùa đông (tháng 1), nhiệt độ tính toán là $13,6^\circ\text{C}$, độ ẩm $81,1%$, vận tốc gió trung bình $1,1\text{ m/s}$ (vận tốc tính rò gió $2,6\text{ m/s}$, hướng Bắc).

2. Tổng lượng nhiệt thừa của phân xưởng vào mùa đông và mùa hè là bao nhiêu?
Tổng lượng nhiệt thừa cần khử của phân xưởng là $1.318.800,5\text{ W}$ vào mùa đông và $1.392.078,3\text{ W}$ vào mùa hè.

3. Nguồn phát sinh nhiệt nào chiếm tỷ trọng lớn nhất trong phân xưởng?
Nguồn phát sinh nhiệt lớn nhất là quá trình làm nguội sản phẩm kim loại sau khi nung ($Q_{sp}$), tỏa ra $1.082.321,6\text{ W}$ vào mùa đông và $1.070.032,2\text{ W}$ vào mùa hè (trong đó quá trình làm nguội có đổi pha của gang và nhôm chiếm trên $887.000\text{ W}$).

4. Vì sao chụp hút của lò nấu gang ($1500^\circ\text{C}$) có thể hoạt động theo phương thức hút tự nhiên?
Nhiệt độ hỗn hợp khí hút vào chụp đạt $328^\circ\text{C}$, tạo ra sức đẩy nhiệt trọng lực trên đường ống cao $10,3\text{ m}$ là $\Delta P_{tl} = 56,6\text{ Pa}$. Trong khi đó, tổn thất áp suất ma sát và cục bộ của tuyến ống đường kính $D = 500\text{ mm}$ chỉ là $\Delta P_{cản} = 12,1\text{ Pa}$. Do sức đẩy trọng lực lớn hơn rất nhiều so với tổng trở lực ($\Delta P_{tl} > \Delta P_{cản}$), luồng khí tự động thoát ra ngoài mà không cần gắn quạt hút cưỡng bức.

5. Kết cấu tường chịu lực của công trình có cấu tạo và hệ số truyền nhiệt như thế nào?
Tường dày tổng cộng $250\text{ mm}$, gồm 3 lớp: lớp vữa trát xi măng trong dày $15\text{ mm}$ ($\lambda = 0,93\text{ W/mK}$), khối xây gạch dày $220\text{ mm}$ ($\lambda = 0,81\text{ W/mK}$), và lớp vữa ngoài dày $15\text{ mm}$ ($\lambda = 0,93\text{ W/mK}$). Tổng nhiệt trở của tường là $R = 0,46\text{ m}^2^\circ\text{C/W}$, tương ứng hệ số truyền nhiệt $K = 2,166\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$.

Kết luận

Thuyết minh đồ án đã hoàn thành toàn bộ các bước tính toán nhiệt - khí động học cho phân xưởng cơ khí luyện kim tại tỉnh Lai Châu theo đúng các quy chuẩn xây dựng hiện hành. Công trình xác định chính xác lượng nhiệt thừa mùa hè ($1.392.078,3\text{ W}$) và mùa đông ($1.318.800,5\text{ W}$), làm cơ sở thiết kế đồng bộ các hệ thống thông gió cục bộ và thông gió chung. Giải pháp tính toán chụp hút mái đua trên các lò nung công nghiệp tận dụng triệt để sức đẩy nhiệt tự nhiên, mang lại hiệu quả cao về kỹ thuật và tiết kiệm năng lượng vận hành.