Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các phân xưởng sản xuất công nghiệp cơ khí và xử lý bề mặt kim loại, môi trường làm việc thường xuyên phải chịu tác động đồng thời của nhiều nguồn phát thải ô nhiễm nguy hại. Quá trình vận hành liên tục của các thiết bị nung luyện công suất lớn, hệ thống máy công cụ gia công cơ khí, cùng các bể mạ điện và tẩy rửa hóa chất tỏa ra một lượng nhiệt thừa rất lớn, đi kèm với hơi khí độc hại (hơi axit, hơi kiềm, hợp chất kim loại nặng) và bụi cơ học phát sinh từ các công đoạn mài, làm sạch bề mặt. Tình trạng này làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng vi khí hậu nhà xưởng, đe dọa trực tiếp đến sức khỏe, năng suất lao động của công nhân và đẩy nhanh tốc độ ăn mòn kết cấu, máy móc.

Đề tài "Thiết kế hệ thống thông gió công nghiệp" (Đồ án môn học Thông gió - Đề số 5) được thực hiện tại Bộ môn Vi khí hậu - Môi trường Xây dựng, Khoa Kỹ thuật Môi trường, Trường Đại học Xây dựng, dưới sự hướng dẫn chuyên môn của TS. Nguyễn Huy Tiến. Đồ án tập trung giải quyết bài toán thiết kế hệ thống thông gió tổng thể và cục bộ cho phân xưởng cơ khí đặt tại thành phố Vinh, tỉnh Nghệ An. Nhiệm vụ thiết kế được giao vào tháng 03/2022, hoàn thành vào ngày 10/07/2022 và bảo vệ vào tháng 06/2022.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đồ án bao gồm:

  1. Xác lập hệ thống thông số tính toán vi khí hậu ngoài nhà và trong nhà theo quy chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành, đồng thời lựa chọn đặc tính nhiệt - vật lý cho toàn bộ kết cấu bao che công trình.
  2. Thiết lập cân bằng nhiệt và tính toán chính xác tổng lượng nhiệt thừa của phân xưởng trong cả hai điều kiện thời tiết mùa đông và mùa hè.
  3. Tính toán thiết kế các giải pháp thông gió cục bộ chuyên biệt tại từng vị trí phát sinh ô nhiễm: chụp hút mái đua cho lò nung nhiệt độ cao, chụp hút bên mép thành cho các bể mạ và xử lý bề mặt, chụp hút bụi cơ học cho máy mài và tang quay, hệ thống thổi mát cục bộ bằng hoa sen không khí cho khu vực công nhân thao tác.
  4. Xác định lưu lượng và thiết kế hệ thống thông gió cơ khí chung kết hợp thông gió tự nhiên nhằm khử triệt để lượng nhiệt thừa còn lại trong phân xưởng.
  5. Thực hiện tính toán khí động học mạng lưới đường ống, xác định tổn thất áp suất và chọn thiết bị quạt công nghiệp phù hợp.
  6. Thể hiện hồ sơ kỹ thuật gồm 02 bản vẽ khổ A1: Mặt bằng, mặt cắt, sơ đồ không gian hệ thống và Chi tiết mặt bằng, mặt cắt gian máy.

Phạm vi nghiên cứu là một phân xưởng công nghiệp có kích thước mặt bằng $54\text{ m} \times 13,5\text{ m}$, chiều cao $6,2\text{ m}$, diện tích sàn $729\text{ m}^2$, bố trí 43 cụm động cơ và thiết bị điện với tổng công suất lắp đặt $315,5\text{ kW}$, 3 lò nung điện công nghiệp làm việc ở nhiệt độ $1200^\circ\text{C}$, 15 bể công nghệ chứa dung dịch nóng và hóa chất mạ, 10 máy mài, 2 tang quay làm sạch và quy mô nhân lực phục vụ gồm 100 công nhân làm việc ở chế độ lao động nặng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Đồ án xây dựng dựa trên hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng và các tài liệu chuyên ngành thông gió công nghiệp:

  • QCVN 02:2009/BXD: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng, áp dụng trực tiếp cho địa bàn trạm khí tượng thành phố Vinh.
  • TCVN 4088-1985: Số liệu khí hậu dùng trong thiết kế xây dựng, phục vụ tra cứu cường độ bức xạ mặt trời cực đại và trung bình.
  • Giáo trình "Kỹ thuật thông gió" (GS. Trần Ngọc Chấn) và tài liệu "Thông gió", "Thiết kế thông gió công nghiệp" (PGS. TS. Bùi Sỹ Lý, ThS. Hoàng Thị Hiền) thuộc Trường Đại học Xây dựng.
  • Lý thuyết truyền nhiệt, cân bằng nhiệt vi khí hậu và thủy động lực học luồng khí tự do (mô hình luồng Baturin).

Phương pháp nghiên cứu và tính toán

  • Phương pháp cân bằng nhiệt vi khí hậu: Xác định lượng nhiệt thừa theo công thức tổng quát: $$Q_{th} = Q_{tỏa} + Q_{bx} - Q_{tt} \quad (\text{W})$$ Trong đó phân tách chi tiết thành phần tổn thất ($Q_{tt}$ qua bao che, rò gió, nung vật liệu mang vào), thành phần nhiệt tỏa ($Q_{tỏa}$ từ người, chiếu sáng, động cơ, phôi nguội, lò nung, bể hở) và thành phần bức xạ mặt trời mùa hè ($Q_{bx}$ qua kính và mái).
  • Phương pháp phân dải nền: Chia diện tích nền phân xưởng ($54\text{ m} \times 13,5\text{ m}$) thành 4 dải cách ly biên song song (3 dải ngoài rộng $2\text{ m}$ và dải lõi trung tâm) để tính toán chính xác nhiệt trở và hệ số truyền nhiệt tiếp xúc đất $k_i'$.
  • Phương pháp khí động học chụp hút và luồng tự do: Ứng dụng chuẩn số Archimedes ($Ar$), góc loe, hệ số rối ($a = 0,1 - 0,12$) để xác định kích thước hình học miệng chụp hút mái đua, chụp hút mép bể và miệng thổi hoa sen không khí; tính toán kiểm tra điều kiện tự nổi trọng lực dòng khí nóng.
  • Phương pháp tính toán thủy lực mạng đường ống: Quy đổi ống tiết diện chữ nhật sang đường kính tròn tương đương ($d_{tđ}$), xác định tổn thất ma sát đơn vị ($R_0$) có hiệu chỉnh nhiệt độ và độ nhám, tính tổng trở lực cục bộ ($\sum \xi$) trên tuyến ống bất lợi nhất (nhánh nguy hiểm) để chọn áp suất và lưu lượng quạt ly tâm.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống thông gió phân xưởng được thiết kế theo mô hình kết hợp đa tầng, bao gồm các phân hệ chính:

  1. Phân hệ hút thải cục bộ tại nguồn nhiệt cao: Áp dụng chụp hút mái đua lắp đặt phía trên cửa lò nung điện NN-30. Tận dụng áp suất nhiệt trọng trường tạo ra bởi dòng hỗn hợp khí nóng ($180^\circ\text{C}$) để thải trực tiếp qua ống khói vượt mái cao $9,6\text{ m}$ mà không cần tiêu tốn điện năng cho quạt cơ khí.
  2. Phân hệ hút hơi độc mép thành bể: Lắp đặt các khe hút hẹp ($b = 0,05 - 0,08\text{ m}$) dọc thành 15 bể hóa chất, mạ điện và tẩy dầu mỡ, gom toàn bộ dòng khí độc hại đưa về mạng đường ống cơ khí chung.
  3. Phân hệ hút lọc bụi cơ học: Bố trí các phễu hút trực tiếp tại 10 máy mài sắc và 2 tang quay làm sạch bề mặt kim loại.
  4. Phân hệ thổi mát cục bộ (Hoa sen không khí Baturin): Cấp luồng không khí mát trực tiếp với vận tốc $6\text{ m/s}$ tại vùng làm việc của công nhân đứng thao tác trước cửa lò nung điện.
  5. Phân hệ thông gió cơ khí chung: Mạng lưới 20 miệng thổi phân phối đều khắp không gian xưởng với tổng lưu lượng $100.000\text{ m}^3/\text{h}$, kết hợp thoát khí tự nhiên qua cửa mái liên tục dài $54\text{ m}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Chọn thông số tính toán

Chương này xác định các thông số khí tượng thiết kế tại địa điểm Vinh (tra cứu theo QCVN 02:2009/BXD) và lựa chọn đặc tính cấu tạo nhiệt - vật lý của các lớp kết cấu bao che công trình:

Thông số Mùa đông Mùa hè
Nhiệt độ ngoài nhà ($t_N$) $15,6^\circ\text{C}$ (TB tháng lạnh nhất) $34,2^\circ\text{C}$ (TB tháng nóng nhất - tháng 7)
Nhiệt độ trong nhà ($t_T$) $20,0^\circ\text{C}$ (tiện nghi lao động nặng) $35,5^\circ\text{C}$ ($t_N + 1,3^\circ\text{C}$)
Vận tốc gió trong nhà ($v$) $0,5\text{ m/s}$ $1,0\text{ m/s}$
Vận tốc gió ngoài nhà tính rò gió $2,9\text{ m/s}$ (Hướng Bắc - tháng 1) $3,6\text{ m/s}$ (Hướng Tây Nam - tháng 7)

Hệ số truyền nhiệt của các kết cấu bao che được tính toán chi tiết dựa trên hệ số trao đổi nhiệt bề mặt trong $\alpha_T = 8,72\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$ và mặt ngoài $\alpha_N = 23,26\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$:

  • Tường bao che: Vữa trát $0,015\text{ m}$ ($\lambda = 0,93$) + Gạch rỗng đất sét nung $0,22\text{ m}$ ($\lambda = 0,52$) + Vữa trát $0,015\text{ m}$ ($\lambda = 0,93$) $\rightarrow k = 1,63\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$.
  • Mái tôn thép: Dày $0,0004\text{ m}$ ($\lambda = 58\text{ W/mK}$) $\rightarrow k = 6,34\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$.
  • Cửa sổ kính và Cửa mái kính: Dày $0,005\text{ m}$ ($\lambda = 0,76\text{ W/mK}$) $\rightarrow k = 6,09\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$.
  • Cửa đi tôn thép: Dày $0,002\text{ m}$ ($\lambda = 58\text{ W/mK}$) $\rightarrow k = 6,34\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$.
  • Hệ thống 4 dải nền: Dải I ($F = 270\text{ m}^2$, $k_1' = 0,34\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$); Dải II ($F = 222\text{ m}^2$, $k_2' = 0,20\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$); Dải III ($F = 190\text{ m}^2$, $k_3' = 0,10\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$); Dải IV ($F = 63\text{ m}^2$, $k_4' = 0,0067\text{ W/m}^2^\circ\text{C}$).

Chương 2. Tính toán nhiệt thừa

Chương 2 tính toán chi tiết từng thành phần trao đổi nhiệt trong phân xưởng:

  1. Nhiệt tổn thất ($Q_{tt}$):

    • Tổn thất qua kết cấu bao che: Mùa đông $Q_{ttk/c(Đ)} = 31.771,12\text{ W}$; Mùa hè chuyển đổi $Q_{ttk/c(H)} = 3.378,50\text{ W}$.
    • Nung nóng vật liệu thép mang vào xưởng ($G'{VL} = 350\text{ kg/m}^2.\text{h}$): Mùa đông $Q{ttVL(Đ)} = 822,00\text{ W}$; Mùa hè $Q_{ttVL(H)} = 169,26\text{ W}$.
    • Tổn thất do rò gió qua khe cửa: Mùa đông rò gió hướng Bắc qua 17 cửa sổ và 3 cửa đi ($Q_{ttrg(Đ)} = 1.498,20\text{ W}$); Mùa hè rò gió hướng Tây Nam ($G_{rg} = 651,85\text{ kg/h}$, $Q_{ttrg(H)} = 236,76\text{ W}$).
    • Tổng tổn thất nhiệt: Mùa đông $Q_{tt(Đ)} = 34.091,32\text{ W}$; Mùa hè $Q_{tt(H)} = 3.935,86\text{ W}$.

  2. Nhiệt tỏa ($Q_{tỏa}$):

    • Tỏa nhiệt từ 100 công nhân ($n = 100$): Mùa đông tỏa $1.200\text{ W}$ ($12\text{ W/người}$); Mùa hè tỏa $13.000\text{ W}$ ($130\text{ W/người}$).
    • Tỏa nhiệt từ hệ thống chiếu sáng đèn huỳnh quang ($Fs = 729\text{ m}^2$, $a = 12\text{ W/m}^2$, $\eta_1 = 0,5$, $\eta_2 = 1$): $Q_{tỏacs} = 4.374\text{ W}$.
    • Tỏa nhiệt từ 43 động cơ và thiết bị điện ($N_{đc} = 315,5\text{ kW}$, tích hợp hệ số $\eta_1\eta_2\eta_3\eta_4 = 0,25$): $Q_{tỏađc} = 78.875\text{ W}$.
    • Tỏa nhiệt do sản phẩm thép sau nung để nguội: Mùa đông $Q_{tỏaSP(Đ)} = 289.331,30\text{ W}$; Mùa hè $Q_{tỏaSP(H)} = 286.147,10\text{ W}$.
    • Tỏa nhiệt từ 3 lò nung điện ($1200^\circ\text{C}$): Gồm thành lò, nóc lò, đáy lò và cửa lò khi đóng/mở $\rightarrow$ Mùa đông $149.749,76\text{ W}$; Mùa hè $167.685,50\text{ W}$.
    • Tỏa nhiệt từ 15 bể dung dịch nóng và mạ điện (bể khử dầu, tẩy gỉ, mạ Ni, Cu, Cr): Mùa đông $1.498,16\text{ W}$; Mùa hè $979,39\text{ W}$.
    • Tổng nhiệt tỏa: Mùa đông $Q_{tỏa(Đ)} = 426.654,90\text{ W}$; Mùa hè $Q_{tỏa(H)} = 453.671,89\text{ W}$.

  3. Nhiệt bức xạ mặt trời mùa hè ($Q_{bx}$):

    • Bức xạ qua cửa kính và cửa mái (kính Sunergy Blue Green AGC Glass 6mm, $SHGC = 0,4$, $q_{bx} = 928\text{ W/m}^2$ lúc 12-13h): $Q_{bxk} = 65.746,94\text{ W}$.
    • Bức xạ truyền qua mái tôn (chênh lệch nhiệt độ kết hợp dao động nhiệt độ bề mặt mái $729\text{ m}^2$): $Q_{bxmái} = 177.700,66\text{ W}$. Tổng bức xạ: $Q_{bx} = 243.447,60\text{ W}$.
Hạng mục thành phần nhiệt Mùa Đông (W) Mùa Hè (W)
Tổng nhiệt tổn thất ($Q_{tt}$) $34.091,32$ $3.935,86$
Tổng nhiệt tỏa ($Q_{tỏa}$) $426.654,90$ $453.671,89$
Tổng nhiệt bức xạ mặt trời ($Q_{bx}$) $0,00$ $243.447,60$
TỔNG NHIỆT THỪA ($Q_{th} = Q_{tỏa} + Q_{bx} - Q_{tt}$) $490.936,92$ $697.119,49$

Chương 3. Tính toán thông gió cục bộ

Chương 3 trình bày các tính toán kỹ thuật cho từng hệ thống hút và thổi chuyên biệt:

  1. Chụp hút mái đua cho lò điện NN-30:

    • Áp suất tại mép trên cửa lò: $p_l = g \cdot h \cdot (\rho_T - \rho_l) = 9,8 \cdot 0,4 \cdot (1,14 - 0,24) = 3,52\text{ Pa}$.
    • Lưu lượng khí thoát qua cửa lò: $L_l = 3.340\text{ m}^3/\text{h}$.
    • Kích thước miệng chụp: Độ nhô ra $l = 1,1\text{ m}$, chiều rộng $b = 0,8\text{ m}$.
    • Nhiệt độ hỗn hợp khí hút vào chụp $t_{hh}^* = 180^\circ\text{C}$ (nằm trong dải $120 - 300^\circ\text{C}$), cho phép lựa chọn giải pháp thông gió tự nhiên.
    • Kiểm tra thủy lực ống khói hút tự nhiên ($\varnothing 700\text{ mm}$, chiều cao $h = 9,6\text{ m}$, $v = 5,97\text{ m/s}$):
      • Sức đẩy trọng lực: $\Delta P_{tl} = 38,51\text{ Pa}$.
      • Tổng trở lực ống: $\Delta P_{tp} = \Delta P_{ms} + \Delta P_{cb} = 3,30 + 5,03 = 8,33\text{ Pa}$.
      • Do $\Delta P_{tl} (38,51\text{ Pa}) > \Delta P_{tp} (8,33\text{ Pa})$, chụp hút mái đua tự nhiên đáp ứng hoàn toàn yêu cầu vận hành.

  2. Chụp hút bên mép thành cho 15 bể công nghệ:

    • Thiết kế dạng hút 1 bên thành ($B < 0,7\text{ m}$), khe hút $b = 0,05 - 0,08\text{ m}$.
    • Lưu lượng tính toán: Bể khử dầu bằng điện ($978\text{ m}^3/\text{h}$), Bể nước nóng ($966\text{ m}^3/\text{h}$), Bể tẩy gỉ axit ($966\text{ m}^3/\text{h}$), Bể mạ niken 1 ($504\text{ m}^3/\text{h}$), Bể mạ niken 2 ($1.578\text{ m}^3/\text{h}$), Bể mạ đồng ($843\text{ m}^3/\text{h}$), Bể mạ crôm ($843\text{ m}^3/\text{h}$).

  3. Hút bụi cơ học:

    • Tang quay làm sạch: $L_h = 1800 \cdot D^2 = 1800 \cdot 0,6^2 = 1.296\text{ m}^3/\text{h}$.
    • Máy mài sắc: Chọn lưu lượng thực tế $1.000\text{ m}^3/\text{h}$ cho mỗi cụm để đảm bảo hiệu quả thu gom.

  4. Hệ thống thổi cục bộ bằng hoa sen không khí:

    • Cường độ bức xạ tại vị trí công nhân đứng cách cửa lò $1,5\text{ m}$ đạt $q_x = 1.952,38\text{ W/m}^2 > 350\text{ W/m}^2$ (bắt buộc phải lắp hoa sen không khí).
    • Miệng thổi Baturin có lá hướng dòng ($a = 0,12$), đường kính miệng thổi $d_0 = 0,4\text{ m}$, vận tốc miệng thổi $v_0 = 22,3\text{ m/s}$, đường kính luồng gió tại vị trí làm việc $d_x = 1,618\text{ m}$, vận tốc tại vùng thao tác $v_{ct} = 6\text{ m/s}$.
    • Lưu lượng 1 miệng thổi đạt $10.088,3\text{ m}^3/\text{h}$. Tổng lưu lượng thổi cho 3 lò: $L = 30.265\text{ m}^3/\text{h}$ ($G = 35.254\text{ kg/h}$).

  5. Cân bằng lưu lượng thông gió chung:

    • Lượng nhiệt khử từ các hệ thống cục bộ: $Q_{khử} = Q_{khử(lò)} + Q_{khử(bể,bụi)} + Q_{khử(sen)} = 3.085,2 + 157.501,0 + 45.900,0 = 176.486\text{ W}$.
    • Nhiệt thừa còn lại mùa hè: $Q_{th}^* = 697.119,49 - 176.486,00 = 520.633\text{ W}$.
    • Nhiệt độ dòng khí thoát tại cửa ra ($h = 4,2\text{ m}$): $t_R = 35,5 + 0,8 \cdot (6,2 - 2) = 38,86^\circ\text{C}$.
    • Lưu lượng thông gió chung cần thiết: $L_{tc} = 99.466\text{ m}^3/\text{h}$. Chọn bố trí 20 miệng thổi chung với lưu lượng $5.000\text{ m}^3/\text{h}$/miệng $\rightarrow L_{tc(chọn)} = 100.000\text{ m}^3/\text{h}$ ($G_{tc} = 114.900\text{ kg/h}$).

Chương 4. Tính toán thiết kế các hệ thống thông gió

Chương 4 tập trung tính toán khí động mạng lưới đường ống hút thành bể (Hệ thống hút bể 1) và lựa chọn quạt hút công nghiệp:

Nhánh ống Các đoạn ống Kích thước ($a \times b$, mm) Lưu lượng $L$ ($\text{m}^3/\text{h}$) Vận tốc $v$ ($\text{m/s}$) Trở lực $\sum P$ (Pa)
Nhánh 1 A-B $\rightarrow$ B-C $\rightarrow$ C-D $\rightarrow$ D-Quạt $250 \times 250 \rightarrow 250 \times 800$ $978 \rightarrow 9.538$ $4,35 \rightarrow 13,20$ $547,00$
Nhánh 2 E-F $\rightarrow$ E-C $\rightarrow$ C-D $\rightarrow$ D-Quạt $250 \times 250 \rightarrow 250 \times 800$ $966 \rightarrow 9.538$ $4,29 \rightarrow 13,20$ $371,00$
Nhánh 3 K-I $\rightarrow$ I-H $\rightarrow$ H-G $\rightarrow$ G-D $\rightarrow$ D-Quạt $250 \times 250 \rightarrow 250 \times 800$ $843 \rightarrow 9.538$ $3,75 \rightarrow 13,20$ $520,00$
  • Xác định tuyến ống nguy hiểm nhất: Nhánh 1 có trở lực lớn nhất ($\Delta P_{hút} = 547\text{ Pa}$).
  • Tính toán đoạn ống đẩy sau quạt: Đường kính $\varnothing 500\text{ mm}$, chiều dài $l = 10,2\text{ m}$, vận tốc $v = 13,49\text{ m/s}$. Tổn thất ma sát $\Delta P_{ms} = 29,99\text{ Pa}$, tổn thất cục bộ nón che mưa ($\xi = 1,3$) $\Delta P_{cb} = 135,90\text{ Pa} \rightarrow \Delta P_{đẩy} = 165,89\text{ Pa} \approx 166\text{ Pa}$.
  • Tổng tổn thất áp suất toàn phần: $P_{tp} = 547 + 166 = 713\text{ Pa}$.
  • Thông số quạt yêu cầu (kể đến hệ số dự phòng $k_{dp} = 1,1$):
    • Áp suất quạt: $P_Q = 1,1 \times 713 = 784,3\text{ Pa}$.
    • Lưu lượng quạt: $L_Q = 1,1 \times 9.538 = 10.491,8\text{ m}^3/\text{h}$.
  • Lựa chọn thiết bị quạt ly tâm công nghiệp: Model Xa 4-70 No10 (kiểu ghép A10-4, cấu tạo 1):
    • Lưu lượng định mức: $12.000\text{ m}^3/\text{h}$.
    • Cột áp định mức: $750\text{ Pa}$.
    • Hiệu suất quạt: $\eta = 0,70$.
    • Động cơ điện: Model 4A160M8, công suất $11\text{ kW}$, tốc độ quay $725\text{ vòng/phút}$.
    • Trọng lượng thiết bị: $652\text{ kg}$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  1. Xác lập hoàn chỉnh bảng số liệu cân bằng nhiệt cho phân xưởng cơ khí tại Vinh: lượng nhiệt thừa mùa hè đạt $697.119,49\text{ W}$ và mùa đông đạt $490.936,92\text{ W}$.
  2. Thiết kế giải pháp chụp hút mái đua tự nhiên cho lò điện $1200^\circ\text{C}$ với ống khói $\varnothing 700\text{ mm}$, chiều cao $9,6\text{ m}$, tận dụng chênh áp tự nhiên $38,51\text{ Pa}$ vượt trội so với trở lực đường ống ($8,33\text{ Pa}$).
  3. Thiết kế thành công hệ thống hoa sen không khí Baturin với lưu lượng $30.265\text{ m}^3/\text{h}$, xử lý triệt để bức xạ nhiệt tại vị trí làm việc ($1.952,38\text{ W/m}^2$).
  4. Tính toán thủy lực chi tiết mạng đường ống hút mép bể mạ và chọn chính xác quạt ly tâm công nghiệp Xa 4-70 No10 ($11\text{ kW}$, $12.000\text{ m}^3/\text{h}$).
  5. Hoàn thiện hệ thống thông gió thổi chung công suất $100.000\text{ m}^3/\text{h}$ thông qua 20 miệng thổi phân phối đều.

Đóng góp kỹ thuật

  • Cung cấp phương pháp tích hợp hài hòa giữa thông gió tự nhiên không tiêu tốn điện năng (chụp hút mái đua lò nung) và thông gió cơ khí cưỡng bức đa điểm (hút mép bể, hút bụi, hoa sen không khí, thổi chung).
  • Chuẩn hóa quy trình tính toán thủy lực cho mạng lưới đường ống thu gom hơi hóa chất phức tạp trong nhà xưởng công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Số liệu tính toán dựa trên các điều kiện giả định của Đề số 5 tại địa bàn TP. Vinh và quy chuẩn QCVN 02:2009/BXD; chưa đo đạc thực nghiệm trên công trình thực tế.
  • Chưa ứng dụng mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) để kiểm chứng sự phân bố trường nhiệt độ và nồng độ chất ô nhiễm trong không gian xưởng.
  • Quá trình làm mát không khí cấp cho hoa sen bằng phương pháp đoạn nhiệt cho nhiệt độ $t_ư = 30,1^\circ\text{C}$, chưa đạt nhiệt độ thiết kế tối ưu $25^\circ\text{C}$ nhưng ở mức tạm chấp nhận được trong điều kiện mùa hè tại Vinh.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tích hợp thêm các thiết bị xử lý khí thải chuyên dụng (tháp hấp thụ hơi axit, xyclon lọc bụi túi vải) trước khi xả ra môi trường qua quạt hút.
  • Ứng dụng biến tần điều khiển động cơ quạt để tối ưu hóa điện năng tiêu thụ theo phụ tải nhiệt thực tế trong từng ca sản xuất.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tư liệu chuyên môn hữu ích đối với:

  • Sinh viên các ngành: Kỹ thuật Môi trường, Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị làm đồ án môn học Thông gió hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư.
  • Kỹ sư thiết kế HVAC công nghiệp: Tham khảo phương pháp tính nhiệt thừa chi tiết từ các thiết bị công nghệ đặc thù (lò nung, bể mạ), quy trình tính toán thủy lực mạng ống phân nhánh và nguyên lý thiết kế chụp hút tự nhiên dựa trên chuẩn số Archimedes.

Câu hỏi thường gặp

1. Tổng lượng nhiệt thừa của phân xưởng vào mùa hè và mùa đông là bao nhiêu?
Tổng lượng nhiệt thừa tính toán của phân xưởng vào mùa hè là $697.119,49\text{ W}$ và vào mùa đông là $490.936,92\text{ W}$.

2. Vì sao chụp hút mái đua của lò điện NN-30 lại được chọn phương án thông gió tự nhiên?
Vì nhiệt độ hỗn hợp khí hút vào chụp đạt $180^\circ\text{C}$ (nằm trong khoảng $120 - 300^\circ\text{C}$ cho phép hút tự nhiên). Đồng thời, sức đẩy trọng lực tạo ra bởi cột khí nóng đạt $\Delta P_{tl} = 38,51\text{ Pa}$, lớn hơn nhiều so với tổng tổn thất áp suất của đường ống $\Delta P_{tp} = 8,33\text{ Pa}$, đảm bảo hệ thống tự hút thải hiệu quả mà không cần dùng quạt.

3. Cường độ bức xạ nhiệt tại vị trí công nhân trước cửa lò nung là bao nhiêu và giải pháp khắc phục là gì?
Cường độ bức xạ tại vị trí công nhân đứng cách cửa lò $1,5\text{ m}$ là $1.952,38\text{ W/m}^2$, vượt xa ngưỡng giới hạn cho phép ($350\text{ W/m}^2$). Giải pháp được áp dụng là lắp đặt hệ thống hoa sen không khí Baturin miệng thổi $\varnothing 400\text{ mm}$, cấp luồng gió mát với vận tốc $6\text{ m/s}$ tại vùng làm việc để bảo vệ người lao động.

4. Hệ thống thông gió chung của phân xưởng được thiết kế với thông số nào?
Hệ thống thông gió chung được thiết kế với tổng lưu lượng thực tế $100.000\text{ m}^3/\text{h}$ ($114.900\text{ kg/h}$), phân phối qua 20 miệng thổi công suất $5.000\text{ m}^3/\text{h}$/miệng để khử $520.633\text{ W}$ nhiệt thừa còn lại sau khi đã thông gió cục bộ.

5. Quạt ly tâm được lựa chọn cho hệ thống hút mép bể mạ có thông số kỹ thuật ra sao?
Quạt được chọn là model Xa 4-70 No10 (A10-4), sử dụng động cơ điện 4A160M8 công suất $11\text{ kW}$, tốc độ quay $725\text{ vòng/phút}$, lưu lượng định mức $12.000\text{ m}^3/\text{h}$, cột áp định mức $750\text{ Pa}$, hiệu suất 0,7 và trọng lượng $652\text{ kg}$.

Kết luận

Đồ án đã giải quyết toàn diện và chuẩn xác bài toán thiết kế hệ thống thông gió công nghiệp cho phân xưởng cơ khí - xử lý bề mặt tại thành phố Vinh. Bằng việc phối hợp linh hoạt giữa thông gió tự nhiên qua chụp hút mái đua cho lò nung và thông gió cơ khí cho các cụm bể mạ, máy mài, hoa sen không khí cùng hệ thống thổi chung $100.000\text{ m}^3/\text{h}$, công trình đảm bảo giải tỏa triệt để $697.119,49\text{ W}$ nhiệt thừa và các chất độc hại phát sinh. Toàn bộ các bước tính toán cân bằng nhiệt, thủy lực đường ống và lựa chọn quạt ly tâm Xa 4-70 No10 ($11\text{ kW}$) đều tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành, cung cấp một phương án thiết kế khả thi và có giá trị ứng dụng thực tiễn cao.