Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA LÒ ĐIỆN TRỞ. 1.1 . GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN: 1.1.1. Định nghĩa: Lò điện là một thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng, được sử dụng rộng rãi trong các quá trình công nghệ khác nhau và nấu luyện các vật liệu, các kim loại và hợp kim khác nhau -Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật. +Sản xuất thép chất lượng cao. +Sản xuất các hợp kim phe-rô. +Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện. +Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn đập, kéo sợi. +Sản xuất đúc các kim loại bột. -Trong các lĩnh vực công nghiệp khác. +Trong công nghiệp nhẹ và công nghiệp thực phẩm, lò điện được dùng để sấy, mạ vật phẩm và chuẩn bị vật phẩm. +Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu lửa Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày càng được phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một cách phong phú và đa dạng: Bếp điện, nồi cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện 1 Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở 1.1.2. Ưu điểm của lò điện và các lò sử dụng nhiên liệu: Lò điện so với những lò sử dụng nhiên liệu có những ưu điểm sau: -Có khả năng tạo được nhiệt độ cao. -Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng xuất cao. -Đảm bảo nung đều và chính xác đo dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ. -Kín. -Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyển vật phẩm. -Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ. 1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ. 1.2.1. Nguyên lý làm việc của lò điện trở. Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra theo một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ: Q=I 2 RT Q- Lượng nhiệt tính bằng Jun(J) I- Dòng điện tính bằng Ampe(A) R-Điện trở tính bằng Ôm. T-thời gian tính bằng giây(S). Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò: -Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp. 2 Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở -Dây nung: Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trường hợp này gọi là nung gián tiếp. Trường hợp thứ nhất Ýt gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản(tiết diện chữ nhật, vuông và tròn). Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp. Cho nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu làm dây nung, bộ phận làm phát nhiệt của lò. 1.2.2. Những vật liệu làm dây nung: a. Yêu cầu của vật liệu làm dây nung: Trong lò điện trở, dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua hiệu ứng Joule. Dây đốt cần phải làm từ các vật liệu thoả mãn các yêu cầu sau: - Chịu được nhiệt độ cao, - Độ bền cơ khí lớn , - Có điện trở suất lớn(vì điện trở suất nhỏ sẽ dẫn đến dây dài khó bố trí trong lò hoặc tiết diện dây nhỏ, không bền), - Hệ số nhiệt điện trở nhỏ (vì điện trở sẽ Ýt thay đổi theo nhiệt độ, đảm bảo công suất lò), - Chậm hoá già (tức là dây đốt Ýt bị biến đổi theo thời gian, do đó đảm bảo tuổi thọ của lò). Vật liệu làm dây đốt có thể là : - Hợp kim: Cr-Ni, Cr-Al….với lò có nhiệt độ làm việc dưới 1200 0 C; 3 Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở - Hợp chất: SiC, MoSi 2 …với lò có nhiệt độ làm việc 1200 0 C÷1600 0 C; - Đơn chất: Mo, W, C(graphit)…với lò có nhiệt độ làm việc cao hơn 1600 0 C. Bảng 1.1: Một vài thông số cơ bản của vật liệu làm dây đốt lò điện trở Vật liệu Thành phần hoá học (%) (còn lại là Fe và các chất khác) Nhiệt độ làm việc max( o C) Hệ số nhiệt điện trở (α.10 -3 /độ) Điện trở suất 10 -6 Ωm Cr Ni Al SiC SiO 2 Cr-Ni Cr-Ni Cr-Al Cr-Al SiC Graph Mo Ti W 20-23 15-18 12-15 23-27 75-78 55-61 3-5 4-6 94.4 3.6 1100 1000 850 1200 1500 2800 2000 2500 2800 0.035 0.1 5.1 4.0 4.3 1,15 1,10 1.26 1.25 (1000- 2000) 8-13 0,052 0.15 0.05 b. Dây nung kim loại: Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại đều được chế tạo bằng các hợp kim Crôm-Nhôm và Crôm-Niken là các hợp kim có điện trở lớn. Còn các kim loại nguyên chất được dùng để chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thường có những tính chất không lợi cho việc chế tạo dây nung nh: 4 Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở + Điện trở suất nhỏ. +Hệ số nhiệt điện trở lớn. +Bị ôxy hoá mạnh trong môi trường khí quyển bình thường. Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng c. Dây nung phi kim loại: Dây nung phi kim loại dùng phổ biến nhất là SiC, grafit và than. 1.2.3. Tính toán dây đốt. Xuất phát từ năng suất lò ta tính ra công suất lò tiêu thụ từ lưới điện. Năng suất lò: A= ][, s kg t M (1-1) Trong đó : M - Khối lượng vật gia nhiệt (kg); t – thời gian gia nhiệt(s) Nhiệt lượng hữu Ých cần cấp cho vật gia nhiệt: Q hi =M.c(t 2 0 -t 1 0 ), [J] (1-2) Trong đó : c-Nhiệt dung riêng trung bình của vật gia nhiệt trong khoảng nhiệt độ (t 2 0 -t 1 0 ) , [J/kg.độ]; t 1 0 , t 2 0 -Nhiệt độ lúc đầu và gia nhiệt của vật gia nhiệt [ 0 C]. Công suất hữu Ých của lò: P hi = )(. 0 1 0 2 ttcA t Q hi −= , [W] (1-3) Công suất lò: P lò = η hi P , [W] (1-4) 5 Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở Trong đó: η - hiệu suất của lò. Thông thường lò điện trở có hiệu suất η=0,7÷0,8. Công suất đặt của thiết bị : P=k.P lò , [W] (1-5) Trong đó : k - Hệ số dự trữ, tính đến tình trạng điện áp lưới bị tụt thấp, do dây hoá già mà điện trở tăng lên. k = 1,2 ÷ 1,3 đối với lò làm việc liên tục, k = 1,4 ÷ 1,5 đối với lò làm việc theo chu kỳ. Từ công suất P, có thể tính gần đúng mật độ công suất dây đốt một pha. Đó là khả năng cấp nhiệt của dây đốt trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích bề mặt dây. W dđ = dd mF P , [ 2 m W ] (1-6) Trong đó : m – sè pha. F dđ - Diện tích bề mặt(diện tích xung quanh) của dây đốt một pha [m 2 ]. Từ công suất lò, có thể tính được kích thước dây đốt cần trang bị cho lò. Với lò có số pha đối xứng, công suất một pha sẽ là: P ph = m P , [W] (1-7) Trên quan hệ toả nhiệt, công suất dây đốt cấp nhiệt qua diện tích xung quanh F dd nên: P ph =W dd .F dd =W dd LC Suy ra: L= CW P dd ph (1-8) 6 Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở Trong đó : L – Chiều dài dây đốt [m]; C – chu vi tiết diện dây đốt [m]. Trên quan hệ giữa các thông số điện thì: P ph = S L U R U ph ph ph ρ 22 = Suy ra L= ρ ph ph P SU 2 (1-9) Trong đó : S – Diện tích tiết diện dây đốt, [m 2 ]. Cân bằng (1-8)và (1-9), có: CS= dd ph ph W U P 1 . 2 2 ρ (1-10) Vế trái (1-10) là các thông số về kích thước dây đốt. Thừa số đầu vế phải là các thông số về diện. Thừa số sau của vế phải nói lên quan hệ nhiệt của dây. Dây đốt dùng trong lò điện trở có thể có tiết diện tròn hay chữ nhật và kích cỡ nh bảng 1-2. Nhiệt độ làm việc Trong lò ( 0 C) Kích thước dây đốt (m.m) Dây tròn (đường kính d) Dây chữ nhật (kích thước a*b), a/b = m < 300 300 – 600 600 – 800 800 – 1000 1 2 3 – 4 4 – 5 8*1 10*1 15*1.5 20*2 7 Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở 1000 – 1100 1100 – 1200 6 – 7 7 – 8 25*2 25*3 Với dây tròn: C=πd S= 4 1 πd 2 Thay vào (1-10) và tìm d, có : d= 22 2 4 phdd ph UW P π ρ , [m] (1-11) Với dây chữ nhật : C= 2(a+b)=2b(m+1) S = ab = mb 2 Thay vào (2-10) ta có: b = 3 2 3 )1(2 phdd ph UWmm P + ρ , [m] (1-12) và a = mb; thường m = 5÷15. Chiều dài dây sẽ tìm tiếp theo(1-9). Khi bố trí dây trong lò, dây có thể uốn xoắn tròn (hình 1.1.a) đối với dây tròn hoặc uốn dích dắc (hình 1.1.b) đối với dây chữ nhật hay tròn. 8 H×nh1.1: C¸ch bè trÝ d©y trong lß ®iÖn trë a)Bè trÝ d©y trßn b) Bè trÝ d©y zÝch z¾c Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở Khi uốn xoắn tròn, đường kính uốn là tuỳ theo độ bền cơ của dây đốt. Thường D=(4÷10)d. Bước xoắn S≥ 2d. Khi uốn zích zắc ,kích thước cũng tuỳ thuộc độ bền cơ của dây đốt. Thường A ≥ 10a, S ≥ 2b. Đối với dây tròn S ≥ 5d. Trong các lò có nhiệt độ làm việc dưới 700 0 C, việc truyền nhiệt từ dây đốt đến vật gia nhiệt chủ yếu là do hiện tượng dẫn nhiệt và đối lưu. Trong các lò có nhiệt độ cao hơn 700 0 C thì việc truyền nhiệt chủ yếu do bức xạ. Để dễ dàng nghiên cứu phân tích, ta giả thiết rằng tổn thất nhiệt qua vỏ lò bằng 0 và dây đốt là một lá mỏng bao kín vật gia nhiệt, nghĩa là coi diện tích toả nhiệt của dây bằng diện tích xung quanh vật gia nhiệt. Trong điều kiện đó, phương trình trao đổi nhiệt bức xạ giữa dây đốt (lí tưởng)và vật gia nhiệt sẽ là: P = C S ε qđ [ 44 ) 100 () 100 ( vdd TT − ] F dd ,[W] (2-13) Trong đó: P – công suất lò, [W]; C S – Khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối; C S - 5,7 W/m 2 , ( 0 K 4 ); T dd – nhiệt độ dây đốt, [ 0 K]; T v – nhiệt độ vật gia nhiệt, [ 0 K]; ε qd – hệ số bức xạ nhiệt qui đổi ; ε qd = 1 11 1 −+ vdd εε 9 Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở Trong đó : ε dd ,ε v - các hệ số bức xạ nhiệt(độ đen) của vật liệu làm dây đốt và vật liệu làm vật gia nhiệt . Từ (1-13) có thể xác định mật độ công suất dây đốt: W dd = ][],) 100 () 100 [( 2 44 m W TT C F P vdd qdS dd −= ε (1-14) Hay: W dd = ε qd W S Với: W S = C S ][],) 100 () 100 [( 2 44 m W TT vdd − (1-15) W S gọi là mật độ công suất trao đổi nhiệt giữa hai vật đen tuyệt đối. Giá trị W S cho theo đồ thị (hình 1.2) và phụ thuộc vào nhiệt độ dây đốt và vật gia nhiệt. Trong các điều kiện làm việc thực của lò thì bức tranh mô tả quá trình phức tạp hơn. Dây không bao kín vật gia nhiệt, nhiệt tổn thất qua vách lò, thành lò cũng trao đổi nhiệt với vật gia nhiệt v.v…Các yếu tố đó được đề cập 10 H×nh1.2: §å thÞ mËt ®é c«ng suÊt cña d©y ®èt cã ®é ®en tuyÖt ®èi [...]... 1: Tng quan v cu to v nguyờn lý lm vic ca lũ in tr Trờn hỡnh 1-10 trỡnh by mt s cỏch b trớ dõy t trong cỏc loi lũ in tr Hình1.10: Một số cách bố trí dây đốt trong lò điện trở a) Dây xoắn tròn đặt trong rãnh sâu ở lớp lótb) Dây đặt trong rãnh ở đáy và thành lò c) Phân bố dây đốt dẹt ở đáy và thành lò d) Phân bố dây đốt dẹt ở đỉnh và đáy lò e) Dây đốt đúc 20 Chng 1: Tng quan v cu to v nguyờn lý lm vic... bệ5,6-Dây đốt ở chụp7-Dây đốt trên bệ8-Múp lò 9-Cửa khí10-Nhiệt kế (nhiệt động) 18 Chng 1: Tng quan v cu to v nguyờn lý lm vic ca lũ in tr Hình1.8: Lò muối 1-Đầu dây cấp điện2-Chụp lò 3-Điện cực4-Vách ngăn5-Lớp lót6-Vỏ bên trong7-Hoả kế8-Vỏ bên ngoài Hình 1.9: Lò giếng 1-Cơ cấu nắp quay2-Nắp quay3-Vỏ lò 4-Lớp lót5Các tấm dẫn hớng khí6-Giỏ lò 7-Tấm đáy lò 8-Dây đốt9-Đầu kiểm tra khí10-Cửa... cú th cú l thm quan sỏt phớa trong lũ Ngoi ra, lũ cũn cú u ra ca dõy t 2, ca khớ 6 dn khớ bo v vo lũ(do khụng khớ d thõm nhp vo bung lũ qua ca lũ, gõy hin tng xy hoỏ, thoỏt cacbon ca vt gia nhit), u o nhit nh lũ hay bờn hụng 17 Hình 1.6: Kết cấu của lò buồng Chng 1: Tng quan v cu to v nguyờn lý lm vic ca lũ in tr Hỡnh 1-7, hỡnh 1-8, hỡnh 1-9 l kt cu ca mt s loi lũ in tr Hình 1.7: Lò chụp 1-Khung... lp rỏp -Chn hp lý cỏc dng gia cụng phự hp vi iu kin ch to (ỳc, hn, p) B cỏc chi tit v cỏc khõu gia cụng c khớ khụng hp lý f Hỡnh dỏng b ngoi p Mi kt cu ca thit b, vt phm, cỏc khõu v cỏc chi tit phi cú hỡnh dỏng v t l cỏc cnh phự hp, d coi Tuy vy cng cn chỳ ý rng, bn ca kt cu khi trng lng nh v hỡnh dỏng b ngoi p cú quan h khng khớt vi nhau Vic gia cụng ln chút nh sn cú vai trũ c bit quan trng i vi... sau quỏ trỡnh khi ng lũ p p ô 12 mt 0 t Chng 1: Tng quan v cu to v nguyờn lý lm vic ca lũ in tr Hỡnh 1.3 Khi khng ch nhit bng cỏch úng ct ngun (hỡnh 1.4) p p ô mt t 0 Hỡnh 1.4 Lũ lm vic giỏn on thỡ th v nhit v cụng sut nh hỡnh 1.5 p p mt t 0 Hỡnh 1.5 d Theo kt cu ca lũ -Lũ bung -Lũ ging lũ chp, lũ b 13 Chng 1: Tng quan v cu to v nguyờn lý lm vic ca lũ in tr e Theo mc ớch s dng -Lũ tụi -Lũ... yờu cu c bn i vi cu to lũ in tr cú nhng yờu cu sau: a Hp lý v cụng ngh Hp lý v cụng ngh cú ngha l cu to lũ khụng nhng phự hp vi quỏ trỡnh cụng ngh yờu cõự m cũn tớnh n kh nng s dng nú i vi quỏ trỡnh cụng ngh khỏc nu nh khụng lm phc tp quỏ trỡnh gia cụng v tng giỏ thnh mt cỏch rừ rt Cu trỳc lũ m bo c cỏc iu kin nh th mi coi l hp lý nht iu ny c bit quan trng trong khi nhu cu lũ in vt xa kh nng sn xut ra... thng Theo quan im chc chn, trong thit b cn chỳ ý n cỏc b phn quan trng nht, quyt nh s lm vic liờn tc ca lũ Thớ d: Dõy nung, bng ti v.v d Tin li khi s dng Tin li khi s dng ngha l yờu cu: -S nhõn viờn phc v ti thiu -Khụng yờu cu trỡnh chuyờn mụn cao, khụng yờu cu sc lc v s do dai ca nhõn viờn phc v -S lng cỏc thit b him v quý b hao mũn nhanh yờu cu ti thiu 15 Chng 1: Tng quan v cu to v nguyờn lý lm vic... sut tiờu hao in nung v.v l cỏc ch tiờu c 14 Chng 1: Tng quan v cu to v nguyờn lý lm vic ca lũ in tr bn ca hiu qu k thut Cũn i vi tng phn riờng bit ca kt cu hoc chi tit, hiu qu k thut c ỏnh giỏ bng cụng sut dn ng, mụ men xon, lc v.v ng vi trng lng, kớch thc hoc giỏ thnh kt cu c.Chc chn khi lm vic Chc chn khi lm vic l mt trong nhng ch tiờu quan trng nht ca cht lng kt cu ca cỏc lũ in Thng cỏc lũ in... nng tớch nhit cc tiu -Phn cỏch nhit: 22 Chng 1: Tng quan v cu to v nguyờn lý lm vic ca lũ in tr Phn cỏch nhit nm gia v lũ v vt liu chu la Mc ớch ch yu ca phn ny l gim tn tht nhit Phn cỏch nhit c xõy dng bng gch cỏch nhit hoc bng bt cỏch nhit (x bụng, aming ) Yờu cu c bn ca phn cỏch nhit: +H s cỏch nhit cc tiu +Kh nng tớch nhit cc tiu + nnh v tớnh cht lý nhit trong iu kin lm vic xỏc nh c Dõy nung Theo...Chng 1: Tng quan v cu to v nguyờn lý lm vic ca lũ in tr n qua h s bc x cú hiu lc ca dõy t v mt cụng sut cho phộp l: Wep = qdWS, [ W ] m2 (1-16) Sau õy l mt s tr s tham kho: -Dõy xon trũn t trong rónh na kớn vỏch lũ = 0,16ữ0,24 . 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA LÒ ĐIỆN TRỞ. 1.1 . GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN: 1.1.1. Định nghĩa: Lò điện. nước điện, thiết bị nung rắn, sấy điện 1 Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở 1.1.2. Ưu điểm của lò điện và các lò sử dụng nhiên liệu: Lò điện so với những lò. kết cấu của lò -Lò buồng -Lò giếng lò chụp, lò bể… 13 p p t τ τ 0 τ « mt τ τ 0 p τ p τ mt t Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở e. Theo mục đích sử dụng -Lò