Tính toán dây điện trở làm việc ở chế độ trao đổi nhiệt đối lưu

Cùng với sự phát triển kinh tế – x• hội của đất nước, nhu cầu về sử dụng điện năng của người dân cũng ngày một tăng cao. Việc cải tạo, nâng cấp và xây dựng thêm các nhà máy điện cũng như các mạng truyền tải điện là một yêu cầu cấp thiết của ngành điện lực. Nhu cầu về dây cáp điện của các công ty điện lực và các công ty xây lắp điện do đó cũng tăng mạnh. Việc đầu tư trang thiết bị máy móc và dây chuyền sản xuất hiện đại để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm nhằm cạnh tranh với các sản phẩm cáp ngoại nhập là nhiệm vụ cơ bản, hàng đầu được đặt ra với các công ty sản xuất cáp điện lực Việt Nam. Công ty liên doanh cáp điện lực Daesung – Việt Nam cũng không nằm ngoài xu hướng đó. Để nâng cấp và hoàn thiện dây chuyền sản xuất dây cáp nhôm của mình nhằm tạo ra những sản phẩm mới có sức cạnh tranh cao, công ty đ• đầu tư và xây dựng thêm nhiều trang thiết bị máy móc mới. Một trong số đó là các lò điện trở có không khí tuần hoàn cưỡng bức để ủ các rulô cáp nhôm. Là sinh viên ngành Nhiệt – Lạnh, được giao nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp là thiết kế các lò điện trở này, em đ• tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu đặc điểm kỹ thuật của các loại lò điện trở cũng như đặc tính của nhôm và công nghệ sản xuất dây cáp nhôm ở nước ta để tìm ra phương án thiết kế cho phù hợp.

. Lời nói đầu Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội của đất nớc, nhu cầu về sử dụng điện năng của ngời dân cũng ngày một tăng cao. Việc cải tạo, nâng cấp và xây dựng thêm các nhà máy điện cũng nh các mạng truyền tải điện là một yêu cầu cấp thiết của ngành điện lực. Nhu cầu về dây cáp điện của các công ty điện lực và các công ty xây lắp điện do đó cũng tăng mạnh. Việc đầu t trang thiết bị máy móc và dây chuyền sản xuất hiện đại để nâng cao năng suất và chất lợng sản phẩm nhằm cạnh tranh với các sản phẩm cáp ngoại nhập là nhiệm vụ cơ bản, hàng đầu đợc đặt ra với các công ty sản xuất cáp điện lực Việt Nam. Công ty liên doanh cáp điện lực Daesung Việt Nam cũng không nằm ngoài xu hớng đó. Để nâng cấp và hoàn thiện dây chuyền sản xuất dây cáp nhôm của mình nhằm tạo ra những sản phẩm mới có sức cạnh tranh cao, công ty đã đầu t và xây dựng thêm nhiều trang thiết bị máy móc mới. Một trong số đó là các lò điện trở có không khí tuần hoàn cỡng bức để ủ các rulô cáp nhôm. Là sinh viên ngành Nhiệt Lạnh, đợc giao nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp là thiết kế các lò điện trở này, em đã tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu đặc điểm kỹ thuật của các loại lò điện trở cũng nh đặc tính của nhôm và công nghệ sản xuất dây cáp nhôm ở nớc ta để tìm ra phơng án thiết kế cho phù hợp. Sau hơn 3 tháng thực hiện, đợc sự hớng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS. TS. Phạm Văn Trí cùng với sự nỗ lực cố gắng của bản thân, bản đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành. Nội dung chính của bản đồ án tốt nghiệp bao gồm: Chơng 1. Nhôm và công nghệ sản xuất dây cáp nhôm. Chơng 2. Tổng quan về lò điện và các loại lò điện trở. Chơng 3. Chọn cấu trúc lò và tính toán các kích thớc cơ bản của lò. Chơng 4.Tính thời gian nung kim loại. Chơng 5. Tính toán cân bằng nhiệt và xác định công suất điện của lò. . - 1 - . Chơng 6. Tính toán dây điện trở làm việc ở chế độ trao đổi nhiệt đối lu Chơng 7. Đo và khống chế chế độ nhiệt độ của lò. Trong quá trình thực hiện đồ án, mặc dù đã rất cố gắng tìm hiểu và cân nhắc kỹ lỡng trớc khi quyết định thiết kế cấu trúc lò và đa ra các thông số kỹ thuật của lò nhng do lần đầu tiên đợc giao nhiệm vụ thiết kế, kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn hạn hẹp nên không tránh khỏi sai sót, em rất mong nhận đợc sự góp ý, chỉ bảo của thầy cô và các bạn. Em xin gửi tới PGS. TS. Phạm Văn Trí, ngời đã tận tình hớng dẫn, chỉ bảo giúp em hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này, lòng biết ơn sâu sắc. Em xin gửi tới Ban giám đốc công ty cơ điện Trần Phú, Ban giám đốc công ty liên doanh cáp điện lực Daesung Việt Nam, KS. Vũ Tuấn Anh, các thầy cô giáo trong Viện khoa học và công nghệ Nhiệt Lạnh, gia đình và bạn bè, những ngời đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ, động viên em trong thời gian em thực hiện bản đồ án tốt nghiệp này, lời cảm ơn chân thành. . - 2 - . Chơng 1 nhôm và công nghệ sản xuất dây cáp nhôm 1.1. tính chất và vai trò của nhôm trong đời sống kĩ thuật 1.1.1. Tính chất của nhôm Nhôm là nguyên tố hoá học thuộc nhóm III trong 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: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 . Với cấu hình này, Al có 3 electron ở lớp ngoài cùng (3 electron hoá trị) do vậy nhôm thờng có hoá trị III (Al 3+ ).Tuy nhiên, nhôm cũng có hoá trị I (Al 1+ ) và gần đây, ngời ta đã điều chế đợc nhôm hoá trị II (Al 2+ ). Nhôm có bán kính nguyên tử 1,4 A 0 , bán kính ion 0,86 A 0 và nguyên tử l- ợng là 26,98 đ.v.C. Do có 3 electron hoá trị nên trong các phản ứng hoá học nhôm thể hiện tính nhờng e (tính kim loại). Với độ âm điện lớn, nguyên tử nhôm có hoạt tính rất mạnh. Nhôm có thể phản ứng với ôxi trong không khí và tạo thành một lớp màng ôxit (Al 2 O 3 ) mỏng, lớp màng này rất bền vững nên lớp nhôm ở bên trong không tiếp tục bị ôxi hoá. Vì vậy, nhôm có khả năng chống ăn mòn rất tốt. Cũng do có hoạt tính rất lớn nên trong tự nhiên, nhôm thờng tồn tại dới dạng các hợp chất vô cơ nh : muối phèn (K 2 SO 4 .Al 2 (SO 4 ) 3. 21H 2 O), quặng bôxit (Al 2 O 3 . nH 2 O), . . . Xét về mặt vật lí, nhôm là kim loại nhẹ (khối lợng riêng 2,7 g/cm 3 ), màu trắng bạc, nóng chảy ở nhiệt độ khoảng (660 ữ 670) 0 C . Nhôm rất dẻo, dễ dát mỏng và kéo sợi. Do có cấu tạo tinh thể dạng lập phơng tâm diện, mật độ electron tự do lớn nên nhôm có độ dẫn nhiệt tốt. Độ dẫn điện của nhôm cũng rất tốt. Độ dẫn điện của nhôm bằng 2/3 độ dẫn điện của đồng. Hệ số dẫn nhiệt của nhôm lớn gấp 3 lần hệ số dẫn nhiệt của sắt. . - 3 - . Các tính chất của nhôm nh : tỉ trọng, nhiệt độ chảy, nhiệt độ sôi, nhiệt dung riêng, độ dẫn điện . . . phụ thuộc rất nhiều vào độ sạch và nhiệt độ của nhôm. - Nhiệt độ chảy: Nhiệt độ chảy của nhôm sẽ tăng khi độ sạch của nhôm tăng ( xem bảng 1. 1 ) . Bảng 1. 1: Quan hệ giữa hàm lợng và nhiệt độ chảy của nhôm. Hàm lợng [% Al] 99,2 99,5 99,6 99,9 99,996 Nhiệt độ chảy [ 0 C] 657 658 658,7 659,8 660,24 - Tỉ trọng của nhôm phụ thuộc vào độ sạch và nhiệt độ của nhôm (xem bảng 1. 2). Bảng 1.2: Quan hệ giữa tỉ trọng của nhôm với nhiệt độ và độ sạch. Độ sạch Tỉ trọng của nhôm Nhôm rắn ở 20 0 C Nhôm lỏng ở 1000 0 C 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 - Nhiệt độ sôi: ở áp suất thờng, nhiệt độ sôi của nhôm gần bằng 2500 0 C, nhng ở trong chân không thì nhiệt độ sôi giảm xuống (xem bảng1.3) Bảng 1. 3: Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ sôi của nhôm. áp suất 0,002 0,01 0,10 1,00 10,0 100 760 1000 2086 . - 4 - . [mm Hg] 5 Nhiệt độ sôi [K] 1400 1480 1634 1880 2002 2382 2760 2830 3000 - Nhiệt dung riêng : Nhiệt dung riêng của nhôm thay đổi khi nhiệt độ thay đổi (xem bảng 1.4): Bảng 1. 4: Nhiệt dung riêng của nhôm trong khoảng 0 ữ 1000 0 C. Nhiệt độ [ 0 C] (trạng thái rắn) Nhiệt dung riêng [kJ/kg.K] Nhiệt độ [ 0 C] (trạng thái lỏng) Nhiệt dung riêng [kJ/kg.K] 100 0,9456 657 1,634 200 0,9615 700 1,598 300 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 - Độ dẫn điện: Độ dẫn điện của nhôm tăng theo độ sạch (xem bảng 1. 5): Bảng 1. 5: Quan hệ giữa độ dẫn điện với độ sạch của nhôm. Độ sạch [% Al] Nhiệt độ [ 0 C] Điện trở suất x 10 -3 [.mm 2 /m] So với độ dẫn điện của đồng [%] 99,500 0 25,300 62,50 99,959 0 24,500 64,50 99,971 20 26,690 64,90 99,996 20 26,548 65,49 1.1.2. Vai trò của nhôm trong đời sống kĩ thuật . - 5 - . Nhôm là kim loại đợc sử dụng rộng rãi (sau sắt) trong nhiều ngành kinh tế - kĩ thuật và đời sống hàng ngày. Những ứng dụng này của nhôm liên quan chặt chẽ đến tính chất vật lí và hoá học của nhôm. Nhôm và hợp kim nhôm có đặc tính: nhẹ, bền đối với không khí và nớc. Nhôm đợc dùng làm vật liệu chế tạo máy bay, ô tô , tên lửa, tầu vũ trụ Nhôm và hợp kim nhôm có màu trắng bạc đợc dùng trong xây dựng nhà cửa và trang trí nội thất. Nhôm có tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt nên đợc dùng để chế tạo dây cáp dẫn điện cao thế 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 và ôxit sắt từ) để hàn kim loại, điều chế một số kim loại trong phòng thí nghiệm. Nhôm siêu sạch dùng để chế tạo bán dẫn Al - Sb. Loại bán dẫn này chịu đ- ợc nhiệt độ cao nên đợc dùng nhiều trong kĩ thuật điện tử. 1.2. tình hình sản xuất tiêu thụ và công nghệ chế tạo cáp nhôm ở nớc ta hiện nay 1.2.1. Tình hình sản xuất tiêu thụ cáp nhôm ở n ớc ta hiện nay Hiện nay, ở nớc ta, dây cáp nhôm đợc sản xuất bởi rất nhiều công ty nh : Công ty cơ 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 và mẫu mã khác nhau. Sản phẩm chủ yếu của các công ty này là: Cáp nhôm có lõi thép, cáp nhôm không có lõi thép, cáp nhôm có lõi thép bọc vỏ và cáp nhôm không có lõi thép bọc vỏ, các loại dây điện trần, dây điện bọc vỏ, . . . . - 6 - . Các sản phẩm này có chất lợng tốt, mẫu mã đa dạng và phong phú nên không chỉ đợc thị trờng trong nớc chấp nhận mà còn rất đợc a chuộng ở nớc ngoài. Sản phẩm của các công ty này đã đợc xuất khẩu sang : Đài Loan, Nhật Bản, Hàn Quốc, với số l ợng ngày càng tăng. ở trong nớc, với chiến lợc phát triển mạng lới điện quốc gia đến năm 2010 của ngành điện lực, nhu cầu tiêu thụ cáp điện của các công ty xây lắp điện cũng tăng mạnh. Chỉ tính riêng ở công ty cơ điện Trần Phú, lợng cáp điện đợc đặt hàng trong năm 2004 là: Cáp nhôm không lõi thép: 1200 tấn. Cáp nhôm có lõi thép: 600 tấn. Cáp nhôm bọc PVC: 8000 tấn. Nhu cầu về cáp điện của thị trờng đối với các công ty khác cũng khá lớn. Đây là điều kiện rất thuận cho việc đầu t sản xuất - kinh doanh của các công ty sản xuất dây cáp điện ở nớc ta trong thời gian tới. 1.2.2. Công nghệ sản xuất dây cáp nhôm Để tạo ra những sản phẩm có chất lợng và hình thức đặc trng, mỗi công ty đều có dây chuyền công nghệ, thiết bị sản xuất và công nghệ chế tạo riêng biệt khác nhau. Nhng nhìn chung tất cả các sản phẩm do các công ty ở nớc ta sản xuất đều trải qua các giai đoạn công nghệ sau: - Nhập nhôm thỏi từ nớc ngoài về. - Nấu chảy nhôm thỏi trong lò. - Đúc cán nhôm 8 liên tục. - Kéo nhôm 8 thành 2 ( Henrich ). - Bện khung cứng. Dây chuyền công nghệ sản xuất cáp nhôm đợc trình bày trên hình 1.1: . - 7 - . Chơng 2 tổng quan về lò điện và lò điện trở. 2.1. lò điện và lĩnh vực sử dụng của lò điện 2.1.1. Lò điện và đặc điểm của lò điện Lò điện là thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau nh nung nóng hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau . Lò điện có u điểm: - Có khả năng tạo đợc nhiệt độ cao do nhiệt năng đợc tập trung trong thể tích nhỏ. - Tạo ra đợc tốc độ nung lớn do nhiệt năng tập trung, nhiệt độ cao. - Đảm bảo nung đều, nung chính xác, dễ điều chỉnh chế độ điện và chế độ nhiệt của lò. - Lò đảm bảo đợc độ kín, có khả năng nung trong chân không hoặc trong môi trờng có khí bảo vệ nên kim loại ít bị tổn hao. - Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ liệu và vận chuyển vật phẩm . - Đảm bảo đợc điều kiện lao động hợp vệ sinh: không có bụi, khói, ít tiếng ồn. Điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ. Lò điện có nhợc điểm: - Năng lợng điện đắt so với các năng lợng khác: than, dầu, khí . - Yêu cầu ngời vận hành lò điện phải có trình độ cao, nghiệp vụ tốt. . - 8 - . 2.1.2. Lĩnh vực sử dụng của lò điện Với những u, nhợc điểm của lò điện đã trình bày ở trên, lò điện đợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật: - Trong luyện kim và chế tạo máy, lò điện có một vị trí quan trọng và thờng đợc dùng để: + Sản xuất thép chất lợng cao. + Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện. + Nung các vật phẩm trớc khi cán, rèn dập, kéo dây kéo sợi. - Trong công nghiệp hoá học lò điện đợc sử dụng để: + Sản xuất CaC 2 , SiC, B 4 C. + Sản xuất CS 2 , C 2 H 2 . + Sản xuất các kim loại kiềm thổ. - Trong các lĩnh vực công nghiệp khác: + Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện đợc sử dụng để: sấy, mạ vật phẩm và chế biến thực phẩm. + Trong các lĩnh vực khác, lò điện đợc sử dụng để sản xuất: gốm, sứ, thuỷ tinh, các loại vật liệu chịu lửa . Ngoài ra, lò điện còn đợc sử dụng rộng rãi trong 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 năng thành nhiệt nănG Điện năng đợc biến đổi thành nhiệt năng theo các phơng pháp sau : - Phơng pháp điện trở. - Phơng pháp cảm ứng. - Phơng pháp hồ quang điện. - Phơng pháp điện môi. - Phơng pháp Plasma. . - 9 - . 2.2.1. Phơng pháp điện trở ( hình 2.1 ) Phơng pháp điện trở dựa trên định luật Joule-Lence: Khi dòng điện chạy qua dây dẫn có điện trở R thì trên dây dẫn sẽ toả ra một lợng nhiệt, lợng nhiệt này đợc tính theo công thức: Q = R.I 2 .t [J] Trong đó: - R : điện trở của 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 của lò điện trở đợc trình bày trên hình 2.1: ~220/380 ~220/380 1 2 3 6 1 5 a) b) 4 Hình 2.1. Nguyên lý làm việc của lò điện trở. a - Đốt nóng trực tiếp. b - Đốt nóng gián tiếp 1 - Cầu dao điện. 4 - Vật liệu đợc nung nóng trực tiếp. 2 - Biến áp. 5 - Vật liệu đợc nung nóng gián tiếp. 3 - Đầu cấp điện. 6 - Dây điện trở. 2.2.2. Phơng pháp cảm ứng ( hình 2.2 ) Phơng pháp cảm ứng dựa trên định luật cảm ứng điện từ của Faraday: Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm thì tạo ra từ trờng biến thiên xung quanh cuộn cảm. Từ trờng biến thiên này tác động lên vật dẫn (vật nung hoặc . - 10 - . đợc dùng làm dây điện trở trong các lò điện trở chân không hoặc lò điện trở có khí bảo vệ. Trong những lò làm việc ở nhiệt độ thấp, chế độ làm việc ngắn. Chơng 5. Tính toán cân bằng nhiệt và xác định công suất điện của lò. . - 1 - . Chơng 6. Tính toán dây điện trở làm việc ở chế độ trao đổi nhiệt đối lu Chơng