Tính toán cân bằng nhiệt và xác định công suất điện của lò

Lời nói đầu Cùng với phát triển kinh tế xà hội đất nớc, nhu cầu sử dụng điện ngời dân ngày tăng cao Việc cải tạo, nâng cấp xây dựng thêm nhà máy điện nh mạng truyền tải điện yêu cầu cấp thiết ngành điện lực Nhu cầu dây cáp điện công ty điện lực công ty xây lắp điện tăng mạnh Việc đầu t trang thiết bị máy móc dây chuyền sản xuất nâng cao suất chất lợng sản phẩm nhằm cạnh tranh với sản phẩm cáp ngoại nhập nhiệm vụ bản, hàng đầu đợc đặt với công ty sản xuất cáp điện lực Việt Nam Công ty liên doanh cáp điện lực Daesung Việt Nam không nằm xu hớng Để nâng cấp hoàn thiện dây chuyền sản xuất dây cáp nhôm nhằm tạo sản phẩm có sức cạnh tranh cao, công ty đà đầu t xây dựng thêm nhiều trang thiết bị máy móc Một số lò điện trở có không khí tuần hoàn cỡng để ủ rulô cáp nhôm Là sinh viên ngành Nhiệt Lạnh, đợc giao nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp thiết kế lò điện trở này, em đà tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu đặc điểm kỹ thuật loại lò điện trở nh đặc tính nhôm công nghệ sản xuất dây cáp nhôm nớc ta để tìm phơng án thiết kế cho phù hợp Sau tháng thực hiện, đợc hớng dẫn, bảo tận tình PGS TS Phạm Văn Trí với nỗ lực cố gắng thân, đồ án tốt nghiệp đà hoàn thành Nội dung đồ án tốt nghiệp bao gồm: Chơng Nhôm công nghệ sản xuất dây cáp nhôm Chơng Tổng quan lò điện loại lò điện trở Chơng Chọn cấu trúc lò tính toán kích thớc lò Chơng 4.Tính thời gian nung kim loại Chơng Tính toán cân nhiệt xác định công suất điện lò Chơng Tính toán dây điện trở làm việc chế độ trao đổi nhiệt đối lu Chơng Đo khống chế chế độ nhiệt độ lò Trong trình thực đồ án, đà cố gắng tìm hiểu cân nhắc kỹ lỡng trớc định thiết kế cấu trúc lò đa thông số kỹ thuật lò nhng lần đợc giao nhiệm vơ thiÕt kÕ, kiÕn thøc vµ kinh nghiƯm thùc tÕ hạn hẹp nên không tránh khỏi sai sót, em mong nhận đợc góp ý, bảo thầy cô bạn -1 - Em xin gửi tới PGS TS Phạm Văn Trí, ngời đà tận tình hớng dẫn, bảo giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, lòng biết ơn sâu sắc Em xin gửi tới Ban giám đốc công ty điện Trần Phú, Ban giám đốc công ty liên doanh cáp điện lực Daesung Việt Nam, KS Vũ Tuấn Anh, thầy cô giáo Viện khoa học công nghệ Nhiệt Lạnh, gia đình bạn bè, ngời đà tạo điều kiện giúp đỡ, động viên em thời gian em thực đồ án tốt nghiệp này, lời cảm ơn chân thành -2 - Chơng nhôm công nghệ sản xuất dây cáp nhôm 1.1 tính chất vai trò nhôm đời sống kĩ thuật kĩ thuật 1.1.1 Tính chất nhôm Nhôm nguyên tố hoá học thuộc nhóm III bảng hệ thống tuần hoàn Nhôm thuộc chu kì 3, có số hiệu nguyên tử Z = 13, kí hiệu hoá học Al Nguyên tử Al có 13 electron với cấu hình điện tử e nh sau: 1s22s22p63s23p1 Với cấu hình này, Al có electron lớp (3 electron hoá trị) nhôm thờng có hoá trị III (Al3+).Tuy nhiên, nhôm có hoá trị I (Al1+) gần đây, ngời ta đà điều chế đợc nhôm hoá trị II (Al2+) Nhôm có bán kính nguyên tử 1,4 A0, bán kính ion 0,86 A0 nguyên tử lợng 26,98 đ.v.C Do có electron hoá trị nên phản ứng hoá học nhôm thể tính nhờng e (tính kim loại) Với độ âm điện lớn, nguyên tử nhôm có hoạt tính mạnh Nhôm phản ứng với ôxi không khí tạo thành lớp màng ôxit (Al2O3) mỏng, lớp màng bền vững nên lớp nhôm bên không tiếp tục bị ôxi hoá Vì vậy, nhôm có khả chống ăn mòn tốt Cũng có hoạt tính lớn nên tự nhiên, nhôm thờng tồn dới dạng hợp chất vô nh : muối phèn (K2SO4.Al2(SO4)3 21H2O), quặng bôxit (Al2O3 nH2O), Xét mặt vật lí, nhôm kim loại nhẹ (khối lợng riêng 2,7 g/cm3), màu trắng bạc, nóng chảy nhiệt độ khoảng (660 ữ 670) 0C Nhôm dẻo, dễ dát mỏng kéo sợi Do có cấu tạo tinh thể dạng lập phơng tâm diện, mật độ electron tự lớn nên nhôm có độ dẫn nhiệt tốt Độ dẫn điện nhôm tốt Độ dẫn điện nhôm 2/3 độ dẫn điện ®ång HƯ sè dÉn nhiƯt cđa nh«m lín gÊp lần hệ số dẫn nhiệt sắt Các tính chất nhôm nh : tỉ trọng, nhiệt độ chảy, nhiệt độ sôi, nhiệt dung riêng, độ dẫn điện phụ thuộc nhiều vào độ nhiệt độ nhôm - Nhiệt độ chảy: Nhiệt độ chảy nhôm tăng độ nhôm tăng ( xem b¶ng 1 ) B¶ng 1: Quan hệ hàm lợng nhiệt độ chảy nhôm -3 - Hàm lợng [% Al] 99,2 99,5 99,6 99,9 99,99 Nhiệt độ chảy [0C] 657 658 658,7 659,8 660,2 - TØ träng cđa nh«m phụ thuộc vào độ nhiệt độ nhôm (xem bảng 2) Bảng 1.2: Quan hệ tỉ trọng nhôm với nhiệt độ độ Tỉ trọng nhôm Độ Nhôm rắn 200C Nhôm láng ë 10000C 99,250 2,7270 2,3110 99,400 2,7060 2,2910 99,750 2,7030 2,2890 99,751 2,6960 2,2890 99,996 2,6989 2,2890 NhiƯt ®é sôi: áp suất thờng, nhiệt độ sôi nhôm gần 2500 C, nhng chân không nhiệt độ sôi giảm xuống (xem bảng1.3) Bảng 3: Quan hệ áp suất nhiệt độ sôi nhôm áp suất [mm Hg] Nhiệt độ sôi [K] 0,002 0,01 0,10 1,00 10,0 100 760 1400 1480 1634 188 200 2382 2760 100 283 2086 3000 - NhiƯt dung riªng : NhiƯt dung riêng nhôm thay đổi nhiệt độ thay đổi (xem bảng 1.4): Bảng 4: Nhiệt dung riêng nhôm khoảng ữ 1000 0C Nhiệt độ [0C] (trạng thái rắn) Nhiệt dung riêng [kJ/kg.K] Nhiệt độ [0C] (trạng thái lỏng) Nhiệt dung riêng [kJ/kg.K] 100 0,9456 657 1,634 200 0,9615 700 1,598 -4 - 300 0,9987 750 1,565 400 1,3704 800 1,531 500 1,0100 900 1,482 600 1,0264 1000 1,444 657 1,0350 - §é dÉn điện: Độ dẫn điện nhôm tăng theo độ (xem bảng 5): Bảng 5: Quan hệ độ dẫn điện với độ nhôm Độ [% Al] 99,500 99,959 99,971 99,996 NhiƯt ®é [0C] 0 20 20 §iƯn trë st x 10-3 [Ώ.mm2/m] 25,300 24,500 26,690 26,548 So víi ®é dÉn ®iƯn cđa ®ång [%] 62,50 64,50 64,90 65,49 1.1.2 Vai trò nhôm đời sống kĩ thuật Nhôm kim loại đợc sử dụng rộng rÃi (sau sắt) nhiều ngành kinh tế - kĩ thuật đời sống hàng ngày Những ứng dụng nhôm liên quan chặt chẽ đến tính chất vật lí hoá học nhôm Nhôm hợp kim nhôm có đặc tính: nhẹ, bền không khí nớc Nhôm đợc dùng làm vật liệu chế tạo máy bay, ô tô , tên lửa, tầu vũ trụ Nhôm hợp kim nhôm có màu trắng bạc đợc dùng xây dựng nhà cửa trang trí nội thất Nhôm có tính dẫn nhiệt dẫn điện tốt nên đợc dùng để chế tạo dây cáp dẫn điện cao thay cho đồng Nhôm đợc dùng để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt, dụng cụ đun nấu Giấy nhôm không gây độc hại nên đợc dùng để bao gói thực phẩm, bánh kẹo Bột nhôm dùng chế tạo hỗn hợp tecmic (hỗn hợp bột nhôm ôxit sắt từ) để hàn kim loại, điều chế số kim loại phòng thí nghiệm -5 - Nhôm siêu dùng để chế tạo bán dẫn Al - Sb Loại bán dẫn chịu đợc nhiệt độ cao nên đợc dùng nhiều kĩ thuật điện tử 1.2 tình hình sản xuất tiêu thụ công nghệ chế tạo cáp nhôm nớc ta 1.2.1 Tình hình sản xuất tiêu thụ cáp nhôm nớc ta Hiện nay, nớc ta, dây cáp nhôm đợc sản xuất nhiều công ty nh : Công ty điện Trần Phú (Hà Nội), Liên doanh LG Vina (Hải Phòng), Liên doanh CFT Cadivi (Hồ Chí Minh), Liên doanh Daesung Việt Nam (Cơ khí Yên Viên), với nhiều chủng loại mẫu mà khác Sản phẩm chủ yếu công ty là: Cáp nhôm có lõi thép, cáp nhôm lõi thép, cáp nhôm có lõi thép bọc vỏ cáp nhôm lõi thép bọc vỏ, loại dây điện trần, dây điện bọc vỏ, Các sản phẩm có chất lợng tốt, mẫu mà đa dạng phong phú nên không đợc thị trờng nớc chấp nhận mà đợc a chuộng nớc Sản phẩm công ty đà đợc xuất sang : Đài Loan, Nhật Bản, Hàn Quốc, với số lợng ngày tăng nớc, với chiến lợc phát triển mạng lới điện quốc gia đến năm 2010 ngành điện lực, nhu cầu tiêu thụ cáp điện công ty xây lắp điện tăng mạnh Chỉ tính riêng công ty điện Trần Phú, lợng cáp điện đợc đặt hàng năm 2004 là: Cáp nhôm không lõi thép: 1200 Cáp nhôm có lõi thép: 600 Cáp nhôm bọc PVC: 8000 Nhu cầu cáp điện thị trờng công ty khác lớn Đây điều kiện thuận cho việc đầu t sản xuất - kinh doanh công ty sản xuất dây cáp điện nớc ta thời gian tới 1.2.2 Công nghệ sản xuất dây cáp nhôm Để tạo sản phẩm có chất lợng hình thức đặc trng, công ty có dây chuyền công nghệ, thiết bị sản xuất công nghệ chế tạo riêng biệt khác Nhng nhìn chung tất sản phẩm công ty nớc ta sản xuất trải qua giai đoạn công nghệ sau: - Nhập nhôm thỏi từ nớc -6 - - Nấu chảy nhôm thỏi lò - Đúc cán nhôm liên tục - Kéo nhôm thành ( Henrich ) - Bện khung cứng Dây chuyền công nghệ sản xuất cáp nhôm đợc trình bày hình 1.1: -7 - Chơng tổng quan lò điện lò điện trở 2.1 lò điện lĩnh vực sử dụng lò điện 2.1.1 Lò điện đặc điểm lò điện Lò điện thiết bị biến điện thành nhiệt dùng trình công nghệ khác nh nung nóng nấu luyện vật liệu, kim loại hợp kim khác Lò điện có u điểm: - Có khả tạo đợc nhiệt độ cao nhiệt đợc tập trung thể tích nhỏ - Tạo đợc tốc độ nung lớn nhiệt tập trung, nhiệt độ cao - Đảm bảo nung đều, nung xác, dễ ®iỊu chØnh chÕ ®é ®iƯn vµ chÕ ®é nhiƯt cđa lò - Lò đảm bảo đợc độ kín, có khả nung chân không môi trờng có khí bảo vệ nên kim loại bị tổn hao - Có khả khí hoá tự động hoá trình chất dỡ liệu vận chuyển vật phẩm - Đảm bảo đợc điều kiện lao động hợp vệ sinh: bụi, khói, tiếng ồn Điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ Lò điện có nhợc điểm: - Năng lợng điện đắt so với lợng khác: than, dầu, khí - Yêu cầu ngời vận hành lò điện phải có trình ®é cao, nghiƯp vơ tèt 2.1.2 LÜnh vùc sư dơng lò điện Với u, nhợc điểm lò điện đà trình bày trên, lò điện đợc sử dơng réng r·i c¸c lÜnh vùc kü tht: - Trong luyện kim chế tạo máy, lò điện có vị trí quan trọng thờng đợc dùng để: + Sản xuất thép chất lợng cao + Nhiệt luyện hoá nhiệt luyện -8 - + Nung vật phẩm trớc cán, rèn dập, kéo dây kéo sợi - Trong công nghiệp hoá học lò điện đợc sử dụng để: + Sản xuất CaC2, SiC, B4C + Sản xuất CS2, C2H2 + Sản xuất kim loại kiềm thổ - Trong lĩnh vực công nghiệp khác: + Trong công nghiệp nhẹ thực phẩm, lò điện đợc sử dụng để: sấy, mạ vật phẩm chế biến thực phẩm + Trong lĩnh vực khác, lò điện đợc sử dụng để sản xuất: gốm, sứ, thuỷ tinh, loại vật liệu chịu lửa Ngoài ra, lò điện đợc sử dụng rộng rÃi đời sống sinh hoạt: bếp điện, nồi cơm điện, bình nớc nóng, thiết bị nung, rán, sấy điện 2.2 Các phơng pháp biến đổi điện thành nhiệt nănG Điện đợc biến đổi thành nhiệt theo phơng pháp sau : - Phơng pháp điện trở - Phơng pháp cảm ứng - Phơng pháp hồ quang điện - Phơng pháp điện môi - Phơng pháp Plasma 2.2.1 Phơng pháp điện trở ( hình 2.1 ) Phơng pháp điện trở dựa định luật Joule-Lence: Khi dòng điện chạy qua dây dẫn có điện trở R dây dẫn toả lợng nhiệt, lợng nhiệt đợc tính theo công thức: Q = R.I2.t [J] Trong đó: - R : điện trở dây dẫn, [ ] - I : cờng độ dòng điện chạy qua dây dẫn, [A] - t : thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn, [s] Nguyên lý làm việc lò điện trở đợc trình bày h×nh 2.1: -9 - ~220/380 ~220/380 1 b) a) Hình 2.1 Nguyên lý làm việc lò điện trở a - Đốt nóng trực tiếp b - Đốt nóng gián tiếp - Cầu dao điện - Vật liệu đợc nung nãng trùc tiÕp - BiÕn ¸p - VËt liệu đợc nung nóng gián tiếp - Đầu cấp điện - Dây điện trở 2.2.2 Phơng pháp cảm ứng ( hình 2.2 ) Phơng pháp cảm ứng dựa định luật cảm ứng điện từ Faraday: Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm tạo từ trờng biến thiên xung quanh cuộn cảm Từ trờng biến thiên tác động lên vật dẫn (vật nung nấu chảy) làm xuất dòng điện cảm ứng vật dẫn - dòng điện xoáy (dòng Fucô) Những phần vật dẫn có dòng điện xoáy toả nhiệt Những phần dòng điện xoáy chạy qua nhận nhiệt dẫn nhiệt đối lu từ phần kim loại nóng có dòng điện xoáy chạy qua Nguyên lý làm việc lò điện cảm ứng đợc trình bày hình 2.2: 3 4 a) b) Hình 2.2 Nguyên lý làm việc lò điện cảm ứng 10 -