Các thiết bị đố nóng bằng điện trở

2 Các thiết bị đố nóng điện trở 2.1 Bản chất vật lý điện trở Dòng điện chuyển động có hướng điện tích dương điện tích âm tác động điện trường Trong vật chất có cấu trúc mạng nguyên tử (kim loại chất rắn khác), dòng điện dòng chuyển động electron tự phía dương cực (anode), dòng chuyển động electron chân không(các electron phát xạ từ điện cực, từ kim loại từ kim loại đặt điện trường Các vật chất dẫn điện nhờ chuyển động electron gọi vật chất dẫn điện loại Các môi trường dẫn, dogf điện tạo nhờ chuyển động ion dương âm gọi vật dẫn điện loại (chất điện phân, dung dịch hóa học…) Plasma có tính hỗn hợp Trong vật chất có cấu trúc mạng nguyên tử, số lượng electron tự chuyển động hỗn loạn bên trọng mạng lớn, ví dụ Đồng lên tới 1029/m3 Theo lý thuyết mạng tinh thể kim loại khơng cản trở dòng chuyển động electron (dòng điện) nói độ dẫn điện kim loại vơ lớn Nhưng thục tế, sử tác động nhiều yếu tố khác nhiệt độ, từ trường, điện trường… mạng tinh thể kim loại dao động gây cản trở dòng chuyển động electron Điều lý giải điện trở kim loại lại phụ thuộc vào nhiệt độ nhiệt độ thấp tạo chất siêu dẫn Quan hệ mật độ dòng điện, cường độ điện trường độ dẫn điện vật thể xác định nhờ định luật Ohm Ở dạng tổng quát viết j = (neeoue + nieoui).E j(A/cm2)- mật độ dòng điện ne,nI= 1/cm3 – mật độ điện tích electron ion Ue,ui độ chuyể động electron ion điện trường E = (v/cm) E0 - điện tích electron Trong kim loại, dòng điện sinh chủ yếu nhờ dòng chuyển động cúa electron: J= neeoue.E Suy : Trong đó: – độ dẫn điện, phụ thuộc vào mật độ điện tích n e vào dạng trạng thái kim loại Từ: j = E 1/ = : chinh điện trở suất vật liệu Điện trở suất phuj thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ sau đây: = [1+] Với – điện trở suất vật liệu 20oC (293oK) – hệ số nhiệt điện trở vật liệu, 1/oC.T20 =293oK Tốc độ chuyển động electron điện trường E phụ thuộc vào hiệu điện U điện cực Ve = 5,93.105 Ví dụ: U = 40kV, ve = 118.6.103 (km/s) Khi electron đạt động We = e0.U.(eV) Khi va đập với nguyên tử mạng tinh thể , electron trao lượng cho ngun tử làm cho kim loại nóng lên Nhiệt lựơng sinh dòng điện I chạy vật dẫn điện biểu diễn: Q = I2R.t Với I (A) – dòng điện, R(Ω) – điện trở, t(s)- thời gian dòng điện chạy qua Cơng suất nhiệt biểu diễn sau: Ở đây: l(m) – chiều dài vật dẫn S(m2) – tiết diện dây dẫn P(W) – công suất 2.2 CÁC PHẦN TỬ ĐIỆN TRỞ ĐỐT NÓNG Việc lựa chọn vật liệu kết cấu phần tử đốt nóng xác định đặc điểm q trình cơng nghệ kết cấu thiết bị Phần tử đốt nóng cần hải có đặc điểm sau: điện trở suấn lớn, hệ số nhiệt điện trở nhỏ phả có tuổi thọ cao Có thể phân chúng thành nhóm theo nhiệt độ làm việc sau: Nhiệt độ thấp: 500 – 7000K , trao đổi nhiệt đối lưu Nhiệt độ làm việc trung bình: từ 900 - 1.3000K , trao đổi nhiệt đối lưu, trao đổi nhiệt xạ nhiệt Nhiệt độ làm việc cao: từ 1.500 – 2.3000K, chủ yếu truyền nhiệt xạ Để chế tạo phần tủ đốt nóng có nhiệt độ việc lên đến 1500 0K, người ta thường sử dụng vật liệu: Nicrome ( hợp kim nickel,chrome), hợp kim chrome nhôm hợp kim thép chịu nhiệt chrome – nickel Nicrome với thành phần 75 – 80% nickel khoảng 25% chrome, tăng thành phần nickel hợp kim làm tăng khả chịu nhiệt Bổ sung thêm titan làm tăng thêm đọ bền hợp kim Hợp kim nicrome với 22 – 27% chrome 17 – 20% nickel dùng để chế tạo phần tử đốt nóng có nhiệt độ 11000 K Hợp kim thép, chrome (13%) nhôm ( đến 4%) dùng làm phần tử đốt nóng làm việc nhiệt độ 11000K Hợp kim có chứa 20 – 27% chrome lượng nhỏ chất phụ khác titan, bore…có khả làm việc nhiệt độ đến 1470 – 16200K Các hợp kim sử dụng làm phần tử dốt nóng dạng hở bảo vệ Ở dạng thứ kết cấu phần tử đốt nóng tương đối cứng chế tạo từ dây băng có tiết diện lớn Phần tử dang hở lắp đặt lò dụng cụ đun nấu gia đình, chúng có hình dạng ziczac lò xo xoắn Để đun nấu chất lỏng đốt nóng chất khí vài q trình cơng nghệ, sử dụng phần tử dạng ống làm từ vật liệu thép gốm xốp có lỗ nhỏ li ti kích thước khoảng 40 - 80m để đảm bảo cho chất lỏng chất khí thấm qua thành Suất tải nhiệt phần tử loại vào khoảng 1kW/cm với nhiệt độ làm việc khoảng 400 – 600 0K Điện áp đặt phần tử từ -12V Khi đốt nóng nhiệt độ thấp sử dụng rộng rãi phần tử đốt nóng dạng ống mô tả (H.2.1) Chất độn ống thường sử dụng Periclaz (MgO) nấu chảy Công suất ống từ 100W – 15kW, điện áp làm việc từ 36 – 380V, nhiệt độ làm việc từ 400 – 10000K Tuổi thọ trung bình ống từ 10.000 đến 40.000 Đối với lò xo nhiệt độ cao tới 1700 0K thường sử dụng phần tử đốt nóng chế tạo từ carbonrundum (SiC) dạng thanh, đường kính – 30mm, với chiều dài khác Phần tử đốt nóng làm từ Silic molibden (MoSi 2) làm việc nhiệt độ 20000K môi trường oxygen MoSi2 chế phương pháp luyện tinh bột Trong môi trường oxygen nhiệt độ cao 13000K bề mặt phần tử đốt nóng phủ lớp bảo vệ SiO2 Ở nhiệt độ từ 20000K trở lên lớp bảo vệ cũ bị phá hủy tự hình thành lớp bảo vệ mới, kết tiết diện phần tử bị giảm dẫn đến điện trở tăng lên Vì vậy, nhiệt độ 20000K khơng nên dùng phần tử đốt nóng loại Ở nhiệt độ đến 23000K phần tử đốt nóng làm từ kim loại gốm Ví dụ: Oxyde Ziriconi có chứa 4% oxyde canxium 6% oxyde itria Trong lò điện nhiệt độ cao ( từ 23000K trở lên) Các phần tử đốt nóng làm từ vật liệu khó nóng chảy than chì ( graphite), kim loại khó nấu chảy moliloden,tantal,wolfram, chúng sử dụng chủ yếu mơi trường khí trơ argon, helium, hydrogen, nitrogen chân khơng 2.3:CÁC LỊ ĐIỆN TRỞ Lò điện trở sử dụng nhiều công nghệ chế tạo máy, luyện kim , cơng nghệ nhẹ , cơng nghiệp hóa chất , xây dựng nông nghiệp.Sự đa dạng quà trình cơng nghệ việc sử dụng vật liệu đa dạng dẫn đến đa dạng kết cấu lò điện trở.Nhiều q trình cơng nghệ khác đòi hỏi phải thực hiên mơi trường chân khơng khí bảo vệ dẫn đến cần thiết phải có lò điện trở Lò điện trở phân thành loại lò nung lò nấu chảy 2.3.1 Lò nung điện trở Chúng chế tạo theo nguyên tắc Lò nung tác động gián tiếp : lượng chuyển hóa thành nhiệt nhờ phần tử đốt nóng đặc biệt, sau truyền vào không gian công tác nhờ dẫn nhiệt,đối lưu xạ.Trong lò nung tác động trực tiếp Lò nung tác động trực tiếp : vật thể cần nung nòng đấu trực tiếp vào mạch điện.Tùy theo mức độ nhiệt đạt phân thành : lò nhiệt độ thấp (900-1000k), nhiệt độ trung bình (1000-1600) Và lò nung nhiệt độ cao(cao 1600k) Theo chế độ làm việt phân thành lò hoạt động liên tục hay theo chu kỳ Các lò hoạt động theo chu kỳ, tùy theo q trình cơng nghệ khác phân thành: lò buồng đốt,lò đứng, lò chụp, lò nâng, lò băng truyền , lò lăng lăn, lò quay Như vậy, lò hoạt động theo chu kỳ phân biệt với phương pháp hệ thống cấu truyền động,bởi vị trí lắp đặt sợi đốt buồng lò.Kích thước cơng suất ló xác định suất cần thiết , nhiệt độ đặc tính vật lý vật liệu Trong lò có điều khiển áp suất, thường sử dụng khí trơ hỗn hợp khí đặc biệt.Chúng có cơng dụng tốt việc sử lý bề mặt sản phẩm: Nitơ hòa, hóa cứng bề mặt… làm cho sản phẩm có độ cứng cao tăng cường độ bền sản phẩm Cũng có số lò sử dụng mơi trường hydrogen q trình công nghệ khác để phục hồi kim loại bị oxy hóa ủ kim loại quý (wolfra, molibden…) 2.3.2 Lò nấu chảy kim loại dùng điện trở Dùng để nấu kim loại có nhiệt độ thấp như: chì, kẽm số hợp hợp kim chủa chúng (600-800k).Đặc biệt lò điện trở dùng để nấu nhôm hợp kim nhôm, cho phép đạt độ tinh khiết cao Chúng có kết cấu ưu điểm đơn giản, cấp nhiệt đơn giản q trình cơng nghệ đơn giản Lò nấu chảy kim loại dùng điện trở phân thành hai dạng nồi dạng buồng Lò dạng nồi : có hình dạng nồi gang đặt bên võ hình trụ, chỗ trống nhồi vật liệu cách nhiệt Suất chi phí lượng lò nấu nhơm 700-750kwh/tấn.Hiệu suất váo khoảng 50-55% Lò dạng buồng : thường tích lớn lò dạng nồi, sử dụng để nấu đúc nhơm.Lò loại có suất chi phí lượng vào khoảng 600-650kwh/tấn hiệu suất 60-65% t =800-850k 2.4 TRANG BỊ ĐIỆN VÀ ĐIỀU CHỈNH THÔNG SỐ LỊ ĐIỆN TRỞ Cơng suất lò điện trở hiệ đại dao động từ nhỏ 1kW đến vài MW Các loại lò có cơng suất lớn 20kW thường sử dụng điện pha với điện áp: 220; 380; 660 V Hệ số công suất cos = 1, phải sử dụng máy biến áp lò Trạng bị điện hệ thống lò điện trở thường chia thành: Thiết bị điện động lực, khí cụ điện điều khiển, đo lường đo nhiệt độ cao Trạng bị điện động lực bao gồm: Máy biến áp lò máy biến áp tự ngẫu hệ thống cấp nguồn cho cấu truyền động, hệ thống đóng ngắt động lực khí cụ điện bảo vệ khác như: Contactor, khởi động từ, aptomat, cầu chì Tồn lò điện trở dùng cơng nghiệp trạng bị hệ thống điều chỉnh nhiệt độ tự động, cho phép tự điều chỉnh cơng suất lò cấp nhiệt theo yêu cầu Phần lớn lò điện trở sử dụng điện áp lưới mà không cần trang bị máy biến áp lò Tuy nhiên việc sử dụng máy biến áp lò (giảm áp ) cho phép tăng dòng điện qua phần tử đốt nóng Vì chúng có tiết diện lớn dẫn đến độ lớn độ bền tin cậy nâng cao Nhiệt độ lò điều chỉnh cách thay đổi công suất Điều chỉnh công suất thực biện pháp sau: Đóng – cắt nguồn theo chu kỳ, đổi nối – tam giác, đổi nối phần tử đốt nóng nối tiếp – song song Ở hình 2.4 biểu diễn sơ đồ mạch điện đồ thị quan hệ nhiệt độ lò thời gian t phương pháp điều chỉnh nhiệt độ theo chu kỳ đóng cắt nguồn Ngồi ra, việc điều chỉnh cơng suất lò biện pháp sau Sử dụng biến áp điều chỉnh nhuyễu dòng điện qua phần tử đốt nóng Đóng phụ thêm vào mạch phần tử đốt nóng phần tử phụ (cuộn kháng biến trở … ) Điều chỉnh dạng xung dòng điện qua phần tử đốt nóng (sử dụng thyristors) Điều chỉnh dòng điện qua thyristors thực theo biện pháp sau: Điều chỉnh pha ( tần số điều chỉnh fđc = 2f nguồn) Điều chỉnh với tần số cao Điều chỉnh dòng điện với tần số thấp 2.5 CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN XỈ Đặc điểm phương pháp đốt nóng điện xĩ chuyển hóa q trình đốt nóng nhờ hồ quang sang q trình đốt nóng khơng có hồ quang Ở đây, nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy kim loại nhận nhơ dòng điện chảy qua lớp xỉ đặc biệt nung nóng lên đến 2000-3000k lò điện xỉ có cấu tạo Dòng điện cung cấp máy biến áp, chạy qua điện cực ngập lớp xỉ đáy lò Lớp xỉ có điện trở lớn bị đốt nóng nhanh chóng theo định luật Joule Đầu điện cực nóng chảy, nhỏ giọt kim loại luồn lách qua lớp xỉ nóng nhờ chúng tiếp tục đốt nóng làm tạp chất Cuối loại nóng chảy đọng lại đáy lò dạng thỏi kim loại kết tinh Xung quanh thỏi kim loại thành lò hình thành lớp xỉ than tạp chất bị đốt cháy Các yếu tố xác định ưu điểm phương pháp sử lý kim loại lò điện xỉ tác động hóa học giọt kim loại nóng chảy lớp xỉ lò Định hình thỏi kim loại đúc lò Tạo lõi kim loại chất lượng cao : thép làm võng bi, thép khơng rỉ, thép chịu nhiệt… Chế độ dòng điện lò điện xỉ đặt trưng dòng điện xung đập mạch có liên quan tới việc tạo giọt kim loại nóng chảy lò khoảng cách điện cưc ln thay đổi Phụ thuộc vào hình dáng khối lượng thỏi ki loại đúc ( tròn , chữ nhật , vng….) lò điện xỉ có kết cấu thông số khác Tùy theo khối lượng kim loại đúc, lúc buồng lò, có tới điện cực nhiều Đối với phần lớn lò điện xỉ, hệ số lắp đầy buồng lò vào khoảng từ 0,2 – 0,65 tăng lên khối lượng thỏi đúc lớn Một vài thơng số lò điện xỉ trình bày bảng 2.1 Thông số Công suất nguồn kVA Dòng điện cực đại A ESP2,58G 1600 21000 ESP10G 2500 28000 ESP20G 5000 50000 Để thực công nghệ điện xỉ cần phải có hệ thống truyền động sau : Di chuyển liên tục theo chu kỳ điện cực bên lớp xỉ Hệ thống lấy lõi kim loại đúc từ bên buồng kết tin Đáy lò có nhiệm vụ làm mát bề mặt thõi đúc, đơi nhận nhiệm vụ dẫn dòng điện qua lò Nó chế tạo từ đồng gắn vào tiếp điểm để đóng cắt dòng điện Một số tính chất hóa lý chất xỉ thường sử dụng bảng 2.2 Mã hiệu Thành phần hóa học % Nhiệt độ Điện trở suất CaF2 AHΦ-1П 95 AHΦ-6 70 AH-291 18 Al2O2 30 40 CaO 25 MgO 17 nóng chảy 0C hm 1300-1400 0,0015-0,002 1320-1340 0,003-0,0035 1450 0,0037-0,004 Hàn xì : phương pháp hàn điện xỉ sử dụng rỗng rãi công nghiệp để nối kim loại có bề dày lớn (thép, gan, đồng, nhơm titan, hợp kim chúng) Điện cực phần vật hàn nối vào nguồn điện xoay chiều qua lớp xỉ Khi có dòng điện chảy qua điện cực nóng chảy, nhờ gioitj ki loại xử lý qua lớp xỉ nóng đọng vào chậu đầy phần không gian hai chi tiết kim loại cần hàn Công suất hàn điện xỉ từ khoảng 60-55KVA.Điện áp thứ cấp máy biến áp từ 8-63V  ... suất 2.2 CÁC PHẦN TỬ ĐIỆN TRỞ ĐỐT NÓNG Việc lựa chọn vật liệu kết cấu phần tử đốt nóng xác định đặc điểm trình công nghệ kết cấu thiết bị Phần tử đốt nóng cần hải có đặc điểm sau: điện trở suấn... phải sử dụng máy biến áp lò Trạng bị điện hệ thống lò điện trở thường chia thành: Thiết bị điện động lực, khí cụ điện điều khiển, đo lường đo nhiệt độ cao Trạng bị điện động lực bao gồm: Máy biến... phương pháp đốt nóng điện xĩ chuyển hóa q trình đốt nóng nhờ hồ quang sang q trình đốt nóng khơng có hồ quang Ở đây, nhiệt lượng cần thiết để làm nóng chảy kim loại nhận nhơ dòng điện chảy qua