CHƯƠNG I. NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KĨ THUẬT ĐIỆN NHIỆT §1. Khái niệm 1. Định nghĩa Kỹ thuật điện nhiệt là kỹ thuật biến đổi điện năng thành nhiệt dựa trên cơ sở các định luật vật lý. 2. Lĩnh vực sử dụng Kĩ thuật điện nhiệt được ứng dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt. Ví dụ: trong nhà máy xí nghiệp thường gặp các lò điện trở, thiết bị sấy, thiết bị nung nóng. Trong luyện kim gặp những lò điện làm việc theo các nguyên lý khác nhau. Trong sinh hoạt gặp những thiết bị nung nóng nước, nồi cơm điện, bình nóng lạnh, sưởi ấm, lò vi sóng… Kỹ thuật điện nhiệt sử dụng năng lượng điện rất lớn, nhất là lò luyện kim. Bởi vậy tính toán thiết kế thiết bị điện nhiệt hợp lý sẽ tiết kiệm năng lượng điện rất lớn. §2. .Phân loại Phân loại thiết bị điện nhiệt dựa vào nguyên lý biến đổi điện thành nhiệt. Có thể phân loại thiết bị điện nhiệt làm việc theo các phương pháp sau đây: 1.Thiết bị điện làm việc theo phương pháp điện trở. Dựa nguyên lý: Q = I2R Trong đó: Q nhiệt lượng toả ra khi có dòng điện I chạy qua dây đốt có điện trở R trong thời gian , về đơn vị : I(A), R( ), (s) thì Q ( J) trong đó có mối quan hệ: 1J = 1 Ws = 0,24cal Bản thân phương pháp này phân thành: a. Phương pháp điện trở gián tiếp: trong đó khi có dòng điện qua điện trở sẽ toả ra nhiệt năng, nhiệt năng đó dùng để nung nóng vật. b. Phương pháp điện trở trực tiếp: trong đó dòng điện trực tiếp đi qua vật nung, nhờ có điện trở của vật mà vật được nung nóng. 2.Thiết bị nhiệt làm việc theo nguyên lý cảm ứng. Dựa vào định luật cảm ứng: khi một vật dẫn đặt trong từ trường biến thiên trong vật sẽ cảm ứng dòng điện và vật được nung nóng. Phương pháp cảm ứng phân thành: a. Phương pháp trực tiếp b. Phương pháp gián tiếp 4.Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp hồ quang. Dưa theo nguyên lý: năng lượng nhiệt được tạo ra nhờ hồ quang sinh ra giữa các điện cực. Phương pháp hồ quang cũng được phân thành a. Phương pháp hồ quang trực tiếp b. Phương pháp hồ quang gián tiếp 4.Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp điện môi. Hình 1 trình bày nguyên lý làm việc: vật nung là loại không dẫn điện hoặc bán dẫn được đặt giữa không gian hai má tụ điện. Tụ điện được nối với nguồn áp có tần số siêu cao hàng chục hàng trăm hoặc hàng nghìn MHz, dưới tác dụng của từ trường biến thiên với tần số siêu cao trong vật sẽ có dòng điện dịch, kết quả vật được nung nóng. Đặc điểm của nung nóng bằng phương pháp điện môi là sự nung nóng ngay lập tức đồng đều trong toàn bộ vật nung, nhờ đó tốc độ nung nóng cao. Dựa vào phương pháp điện môi chế tạo thiết bị sấy điện môi dùng để sấy vật liệu cách điện, vật liệu compozit, sản phẩm nông nghiệp nhẹ, chè, cà phê… chế tạo lò vi sóng dùng trong nấu nướng nhanh, thiết bị khử trùng y tế. Hình 1 5. Phương pháp điện tử Năng lượng điện biến thiên, nhiệt do sự va chạm của dòng điện tử được gia tốc cao trong trường điện với những vật gia công ( vật nung nóng) Phương pháp điện tử được thực hiện trong buồng chân không cao, luồng điện tử được tập trung thành nhũng chùm hẹp với năng lượng rất cao khoảng tức hàng 1000 lần lớn hơn trong lò hồ quang. Phương pháp này được thực hiện trong thiết bị súng điện trở, để hàn những chi tiết cực nhỏ, để tạo hợp kim đặc biệt tinh khiết từ những chất đặc biệt cứng như Tantan, moliphden… 6.Phương pháp laser : Light Amphificatin by Stimulated Emission of Radium: viết tắt là LASER có nghĩa là khuyếch đại ánh sáng bằng cưỡng bức. Laser là phát minh lớn của thế kỷ 20. Năm 1917 nhà bác học Aber Einstein đã đề ra nguyên lý bức xạ cưỡng bức. Theo nguyên lý bức xạ ánh sáng, sở dĩ phát ra màu khi bị nung nóng là do trong nguyên tử các electron từ mức năng lượng thấp nhảy sang mức năng lượng cao, rồi từ cao khi nhảy về thấp thì phát ra bức xạ. Nguyên lý đó được biểu diễn bằng công thức Einstein E2 E1= hv. Trong đó: E1,E2: mức năng lượng của các điện tử. h hằng số Planck. v tần số. Hiệu số E2 – E1 càng lớn thì tần số càng lớn, tức bước sóng càng nhỏ, ánh sáng tử bước sóng lớn ( màu đỏ) chuyển dần sang bước sóng nhỏ ( màu tím) Bây giờ dùng phương pháp nào đó cưỡng bức cho hàng tỉ tỉ nguyên tử đều nhảy lên mức năng lượng cao và khi cùng nhảy về mức cơ bản thì sẽ phát ra một thứ ánh sáng đơn sắc ( cùng năng lượng, cùng bước sóng). Đó là nguyên lý của máy Laser. Chiếc máy Laser đầu tiên ra đời vào 1960 do kỹ sư người Mỹ tên là Theodore Maiman có sơ đồ nguyên lý như hình 1.2. Hình 1.2 1.Thanh hồng ngọc nhân tạo (AL2O3 + 0,05% Neodym ) 2. Ống thuỷ tinh, trong chứa khí xenon 3.C tụ điện. Bộ phận chủ yếu là thanh Hồng ngọc ( Rubi ) dài 30 cm, đường kính 1,5 cm, là hồng ngọc nhân tạo gồm Al2O3 trộn với 0,05% chất Neodym, quanh nó là ống thuỷ tinh 1 đựng khí xenon. Hai đầu ống được nối với tụ điện 3. Khi áp trên tụ tăng tới mức nào đó thì khí xenon trong ống thuỷ tinh phát sáng kích thích các nguyên tử neodym, lập tức thanh hồng ngọc phát sáng tia sáng màu đỏ có độ sáng gấp hàng trăm lần độ sáng trên bề mặt trời. Công suất đạt hàng tỉ watt . Đó là tia Laser. Laser đã phát triển nhanh chóng, gồm một số thể loại như sau: a.Dùng laser khí: loại này thông dụng môi trường khuyếch đại là chất khí. Sự kích thích dựa vào phóng điện trong chất khí. Loại Laser He – Ne Ar thường dùng trong đo đạc không cần công suất lớn, cần độ tập trung cao. Loại Laser khí CO2, trong phạm vi bức xạ hồng ngoại có năng suất cao, dùng trong nhiều việc, gia công vật liệu. b. Laser rắn: môi trường khuyếch đại là chất rắn, ví dụ như máy Laser của maiman nêu ở trên. Loại này có công suất lớn được dùng trong công nghiệp để cắt, khoan vật liệu rắn, gia công vật liệu. Trong y tế để phẫu thuật, dùng trong quân sự và vũ trụ. c. Laser lỏng: ngoài hai loại trên còn dùng loại có môi trường phát laser là chất lỏng, phát ra laser có bước sóng thay đổi tạo ra nhiều màu sắc đặc trưng dùng trong trang trí, nhà hàng. Laser được coi là công cụ kỳ diệu của kỹ thuật hiện đại. Phương pháp laser tạo được sự tập trung năng lượng cao nhất trong các phương pháp. Nó làm việc theo chế độ xung. Năng lượng của xung không cao nhưng nhờ đường kính xung nhỏ khoảng 1 ÷ 8 với năng lượng chỉ khoảng 30 Jun trong thời gian ngắn khoảng 0,1 ns cũng đủ đốt vật đến nhiều nghìn độ đủ để nóng chảy, bay hơi cả hợp kim cứng nhất, dùng đục lỗ, hàn chi tiết… Ưu điểm của phương pháp Laser là làm việc trong môi trường không khí, ít bị tác động của môi trường so với phương pháp điện tử. Tuy nhiên trong những thiết bị Laser công suất lớn hiệu suất chỉ đạt được ( 0,5 ÷1 )%. Ở Việt Nam đã thành lập trung tâm công nghệ Laser ( NACENLAS) năm 1984, đã lắp ráp chế tạo thành công các thiết bị Laser điều trị trong y tế loại He Ne có công suất từ 1 mW 7 mW chuyển giao cho các bệnh viện, chế tạo thiết bị Laser tan sỏi thận ngoài cơ thể, thiết bị Laser phẫu thuật, thiết bị Laser diot 1W và nhiều thiết bị Laser khác. 7. Phương pháp plasma. Năng lượng điện biến vào nhiệt trong dòng vật chất bị ion hoá dưới tác dụng của điện trường giữa điện cực trong áp suất lớn và tốc độ cao của dòng plasma. Do bị ion hoá và nén trong thể tích không lớn nên mật độ nhiệt lớn, cho phép tạo ra nhiệt độ tới hàng vạn độ Phương pháp này dùng trong các thiết bị hàn và cắt kim loại, hợp kim cứng. §3. Ưu điểm nhược điểm của kỹ thuật điện nhiệt 1. Ưu điểm Do năng lượng tập trung trong thể tích nhỏ nên tạo được nhiệt độ cao Tạo được quá trình nhiệt luyện trong chân không hoặc trong môi trường có khí bảo vệ tránh được tổn hao và nâng cao chất lượng. Tạo được tốc độ nung nóng cao và năng suất cao Có khả năng điều chỉnh nhiệt độ trong phạm vi rộng và độ chính xác cao Tạo được khả năng tự động hoá cao quá trình công nghệ Cải thiện được điều kiện lao động Và các ưu điểm khác nữa 2. Nhược điểm Dùng năng lượng có giá thường cao hơn các dạng nhiên liệu than, dầu khí.. Thiết bị điện nhiệt có nhiều loại giá thành cao Để vận hành đòi hỏi phải có trình độ §4. Hai thang nhiệt độ Trong đo nhiệt độ, đưa ra hai thang đo phổ biến, hai thang này dựa trên 6 điểm nhiệt độ cơ bản: Nhiệt độ sôi của oxy lỏng là 182,97 0C Nhiệt độ tan của nước đá 0,001 0C Nhiệt độ sôi của nước 100 0C Nhiệt độ sôi của lưu huỳnh 444,6 0C Nhiệt độ đông đặc của bạc 960,8 0C Nhiệt độ đông đặc của vàng 1065 0C 1. Thang nhiệt độ bách phân còn gọi là thang nhiệt độ ( 0C) Sử dụng hai điểm mà nước đá thay đổi pha của nó là điểm nước đá tan lấy là 0 0C điểm sôi là 100 0C, chia làm 100 phần, mỗi phần 1 0C. Ký hiệu thang nhiệt độ C là: t 2. Thang nhiệt độ nhiệt động tuyệt đối, còn gọi là thang nhiệt độ Kenvil hay thang nhiệt độ 0K. Thang nhiệt độ này lấy điểm tam giao của nước làm điểm chuẩn và bằng 2730,160K. Điểm tam giao là điểm duy nhất tại đó có sự cân bằng nhiệt độ của ba pha của nước. Đó là các pha cứng lỏng hơi Có quan hệ giữa nhiệt độ 0K và nhiệt độ 0 C là: T ( 0K ) = 273,16 + t ( 0 C) 0K Điểm đầu (điểm 0 ) của nhiệt K là điểm tuyệt đối của nhiệt độ K. §5. Phân loại thiết bị điện nhiệt Để tiện cho quản lý thiết bị điện nhiệt có thể phân loại theo một số đặc tính như sau: 1. Phân loại theo nhiệt độ. Loại nhiệt độ thấp: từ 3000C trở xuống Loại nhiệt độ trung bình: từ 300÷ 10000C. Loại nhiệt độ cao: từ 10000C trở lên Trong luyện kim người ta phân theo cấp bậc nhiệt độ khác 2. Phân loại theo tần số dòng điện + Loại dòng một chiều + Loại dòng xoay chiều Tần số thấp ≤ 50Hz. Tần số trung bình ≤ 10 KHz. Tần số cao ≤ 10 MHz. Tần số siêu cao từ 100MHz trở lên. 3. Phân theo chức năng Loại thiết bị dùng trong kỹ thuật sấy. Loại thiết bị dùng trong luyện kim và… CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG TRÌNH NHIỆT TRONG NUNG NÓNG Quá trình nung nóng là quá trình động liên quan tới sự thay đổi lượng nhiệt trong vật nung. Sẽ xét một số quan hệ trong nung
CHƯƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KĨ THUẬT ĐIỆN NHIỆT §1 Khái niệm Định nghĩa Kỹ thuật điện nhiệt kỹ thuật biến đổi điện thành nhiệt dựa sở định luật vật lý Lĩnh vực sử dụng Kĩ thuật điện - nhiệt ứng dụng nhiều sản xuất sinh hoạt Ví dụ: nhà máy xí nghiệp thường gặp lị điện trở, thiết bị sấy, thiết bị nung nóng Trong luyện kim gặp lò điện làm việc theo nguyên lý khác Trong sinh hoạt gặp thiết bị nung nóng nước, nồi cơm điện, bình nóng lạnh, sưởi ấm, lị vi sóng… Kỹ thuật điện nhiệt sử dụng lượng điện lớn, lò luyện kim Bởi tính tốn thiết kế thiết bị điện nhiệt hợp lý tiết kiệm lượng điện lớn §2 .Phân loại Phân loại thiết bị điện nhiệt dựa vào nguyên lý biến đổi điện thành nhiệt Có thể phân loại thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp sau đây: 1.Thiết bị điện làm việc theo phương pháp điện trở Dựa nguyên lý: Q = I2Rτ Trong đó: Q- nhiệt lượng toả có dịng điện I chạy qua dây đốt có điện trở R thời gian τ , đơn vị : I(A), R( Ω ), τ (s) Q ( J) có mối quan hệ: 1J = Ws = 0,24cal Bản thân phương pháp phân thành: a Phương pháp điện trở gián tiếp: có dòng điện qua điện trở toả nhiệt năng, nhiệt dùng để nung nóng vật b Phương pháp điện trở trực tiếp: dịng điện trực tiếp qua vật nung, nhờ có điện trở vật mà vật nung nóng 2.Thiết bị nhiệt làm việc theo nguyên lý cảm ứng - Dựa vào định luật cảm ứng: vật dẫn đặt từ trường biến thiên vật cảm ứng dòng điện vật nung nóng Phương pháp cảm ứng phân thành: a Phương pháp trực tiếp b Phương pháp gián tiếp 4.Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp hồ quang Dưa theo nguyên lý: lượng nhiệt tạo nhờ hồ quang sinh điện cực Phương pháp hồ quang phân thành a Phương pháp hồ quang trực tiếp b Phương pháp hồ quang gián tiếp 4.Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp điện mơi Hình trình bày ngun lý làm việc: vật nung loại không dẫn điện bán dẫn đặt không gian hai má tụ điện Tụ điện nối với nguồn áp có tần số siêu cao hàng chục hàng trăm hàng nghìn MHz, tác dụng từ trường biến thiên với tần số siêu cao vật có dịng điện dịch, kết vật nung nóng Đặc điểm nung nóng phương pháp điện mơi nung nóng đồng tồn vật nung, nhờ tốc độ nung nóng cao Dựa vào phương pháp điện môi chế tạo thiết bị sấy điện môi dùng để sấy vật liệu cách điện, vật liệu compozit, sản phẩm nông nghiệp nhẹ, chè, cà phê… chế tạo lị vi sóng dùng nấu nướng nhanh, thiết b kh trựng y t Nguồn áp siêu cao tần Vật đ uợ c nung Má tụ đ iện Hỡnh Phương pháp điện tử Năng lượng điện biến thiên, nhiệt va chạm dòng điện tử gia tốc cao trường điện với vật gia cơng ( vật nung nóng) Phương pháp điện tử thực buồng chân không cao, luồng điện tử tập trung thành nhũng chùm hẹp với lượng cao khoảng 5× 108 KW/cm2 tức hàng 1000 lần lớn lò hồ quang Phương pháp thực thiết bị súng điện trở, để hàn chi tiết cực nhỏ, để tạo hợp kim đặc biệt tinh khiết từ chất đặc biệt cứng Tantan, moliphden… 6.Phương pháp laser : Light Amphificatin by Stimulated Emission of Radium: viết tắt LASER có nghĩa khuyếch đại ánh sáng cưỡng Laser phát minh lớn kỷ 20 Năm 1917 nhà bác học Aber Einstein đề nguyên lý xạ cưỡng Theo nguyên lý xạ ánh sáng, phát màu bị nung nóng nguyên tử electron từ mức lượng thấp nhảy sang mức lượng cao, từ cao nhảy thấp phát xạ Ngun lý biểu diễn cơng thức Einstein E2 - E1= hv Trong đó: E1,E2: mức lượng điện tử h- số Planck v- tần số Hiệu số E2 – E1 lớn tần số lớn, tức bước sóng nhỏ, ánh sáng tử bước sóng lớn ( màu đỏ) chuyển dần sang bước sóng nhỏ ( màu tím) Bây dùng phương pháp cưỡng cho hàng tỉ tỉ nguyên tử nhảy lên mức lượng cao nhảy mức phát thứ ánh sáng đơn sắc ( lượng, bước sóng) Đó nguyên lý máy Laser Chiếc máy Laser đời vào 1960 kỹ sư người Mỹ tên Theodore Maiman có sơ đồ nguyên lý hình 1.2 Hình 1.2 1.Thanh hồng ngọc nhân tạo (AL2O3 + 0,05% Neodym ) Ống thuỷ tinh, chứa khí xenon 3.C tụ điện Bộ phận chủ yếu Hồng ngọc ( Rubi ) dài 30 cm, đường kính 1,5 cm, hồng ngọc nhân tạo gồm Al2O3 trộn với 0,05% chất Neodym, quanh ống thuỷ tinh đựng khí xenon Hai đầu ống nối với tụ điện Khi áp tụ tăng tới mức khí xenon ống thuỷ tinh phát sáng kích thích nguyên tử neodym, hồng ngọc phát sáng tia sáng màu đỏ có độ sáng gấp hàng trăm lần độ sáng bề mặt trời Công suất đạt hàng tỉ watt Đó tia Laser Laser phát triển nhanh chóng, gồm số thể loại sau: a.Dùng laser khí: loại thơng dụng- mơi trường khuyếch đại chất khí Sự kích thích dựa vào phóng điện chất khí Loại Laser He – Ne - Ar thường dùng đo đạc không cần công suất lớn, cần độ tập trung cao Loại Laser khí CO2, phạm vi xạ hồng ngoại có suất cao, dùng nhiều việc, gia cơng vật liệu b Laser rắn: môi trường khuyếch đại chất rắn, ví dụ máy Laser maiman nêu Loại có cơng suất lớn dùng công nghiệp để cắt, khoan vật liệu rắn, gia công vật liệu Trong y tế để phẫu thuật, dùng quân vũ trụ c Laser lỏng: hai loại cịn dùng loại có mơi trường phát laser chất lỏng, phát laser có bước sóng thay đổi tạo nhiều màu sắc đặc trưng dùng trang trí, nhà hàng Laser coi cơng cụ kỳ diệu kỹ thuật đại Phương pháp laser tạo tập trung lượng cao phương pháp Nó làm việc theo chế độ xung Năng lượng xung không cao nhờ đường kớnh xung nh khong ữ mvi nng lượng khoảng 30 Jun thời gian ngắn khoảng 0,1 ns đủ đốt vật đến nhiều nghìn độ đủ để nóng chảy, bay hợp kim cứng nhất, dùng đục lỗ, hàn chi tiết… Ưu điểm phương pháp Laser làm việc môi trường không khí, bị tác động mơi trường so với phương pháp điện tử Tuy nhiên thiết bị Laser công suất lớn hiệu suất đạt ( 0,5 ÷1 )% Ở Việt Nam thành lập trung tâm công nghệ Laser ( NACENLAS) năm 1984, lắp ráp chế tạo thành công thiết bị Laser điều trị y tế loại He - Ne có cơng suất từ mW - mW chuyển giao cho bệnh viện, chế tạo thiết bị Laser tan sỏi thận thể, thiết bị Laser phẫu thuật, thiết bị Laser diot 1W nhiều thiết bị Laser khác Phương pháp plasma Năng lượng điện biến vào nhiệt dịng vật chất bị ion hố tác dụng điện trường điện cực áp suất lớn tốc độ cao dòng plasma Do bị ion hố nén thể tích khơng lớn nên mật độ nhiệt lớn, cho phép tạo nhiệt độ tới hàng vạn độ Phương pháp dùng thiết bị hàn cắt kim loại, hợp kim cứng §3 Ưu điểm nhược điểm kỹ thuật điện nhiệt Ưu điểm - Do lượng tập trung thể tích nhỏ nên tạo nhiệt độ cao - Tạo q trình nhiệt luyện chân khơng mơi trường có khí bảo vệ tránh tổn hao nâng cao chất lượng - Tạo tốc độ nung nóng cao suất cao - Có khả điều chỉnh nhiệt độ phạm vi rộng độ xác cao - Tạo khả tự động hố cao q trình cơng nghệ - Cải thiện điều kiện lao động Và ưu điểm khác Nhược điểm - Dùng lượng có giá thường cao dạng nhiên liệu than, dầu khí - Thiết bị điện nhiệt có nhiều loại giá thành cao - Để vận hành địi hỏi phải có trình độ §4 Hai thang nhiệt độ Trong đo nhiệt độ, đưa hai thang đo phổ biến, hai thang dựa điểm nhiệt độ bản: - Nhiệt độ sôi oxy lỏng - 182,97 0C - Nhiệt độ tan nước đá - 0,001 0C - Nhiệt độ sôi nước 100 0C - Nhiệt độ sôi lưu huỳnh 444,6 0C - Nhiệt độ đông đặc bạc 960,8 0C - Nhiệt độ đông đặc vàng 1065 0C Thang nhiệt độ bách phân gọi thang nhiệt độ ( 0C) Sử dụng hai điểm mà nước đá thay đổi pha điểm nước đá tan lấy 0C điểm sôi 100 0C, chia làm 100 phần, phần 0C Ký hiệu thang nhiệt độ C là: t Thang nhiệt độ nhiệt động tuyệt đối, gọi thang nhiệt độ Kenvil hay thang nhiệt độ 0K Thang nhiệt độ lấy điểm tam giao nước làm điểm chuẩn 2730,160K Điểm tam giao điểm có cân nhiệt độ ba pha nước Đó pha cứng- lỏng- Có quan hệ nhiệt độ 0K nhiệt độ C là: T ( 0K ) =[ 273,16 + t ( C) ] 0K Điểm đầu (điểm ) nhiệt K điểm tuyệt đối nhiệt độ K §5 Phân loại thiết bị điện nhiệt Để tiện cho quản lý thiết bị điện nhiệt phân loại theo số đặc tính sau: Phân loại theo nhiệt độ - Loại nhiệt độ thấp: từ 3000C trở xuống - Loại nhiệt độ trung bình: từ 300÷ 10000C - Loại nhiệt độ cao: từ 10000C trở lên Trong luyện kim người ta phân theo cấp bậc nhiệt độ khác Phân loại theo tần số dòng điện + Loại dòng chiều + Loại dòng xoay chiều - Tần số thấp ≤ 50Hz - Tần số trung bình ≤ 10 KHz - Tần số cao ≤ 10 MHz - Tần số siêu cao từ 100MHz trở lên Phân theo chức - Loại thiết bị dùng kỹ thuật sấy - Loại thiết bị dùng luyện kim và… CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG TRÌNH NHIỆT TRONG NUNG NĨNG Q trình nung nóng q trình động liên quan tới thay đổi lượng nhiệt vật nung Sẽ xét số quan hệ nung nóng thơng qua phương trình nhiệt sau đây: §1 Phương trình cân nhiệt vật nung nóng Để đơn giản xét trường hợp vật nung đồng chất đẳng nhiệt, coi thông số vật lý ngồi nhiệt độ khơng thay đổi Lúc phương trình cân nhiệt theo dτ có dạng: dQ1 = dQ2 + dQ3 (1) Trong đó: dQ1- lượng nhiệt đưa tới vật sau thời gian dτ dQ2- lượng nhiệt dùng để thay đổi lượng nhiệt chứa vật nung dQ3 - lượng nhiệt bị xung quanh Các thành phần xác định sau: dQ1 = Pdτ Trong đó: P – cơng suất đưa tới vật để nung nóng dQ2 = mcdt τ - thời gian m- khối lượng vật nung nóng c- tỷ nhiệt vật nung nóng dt- thay đổi nhiệt độ vật nung vào môi trường xung quanh dQ3 = KF ( t − t0 ) dτ K- hệ số truyền nhiệt F - diện tích bề mặt truyền nhiệt xung quanh t- nhiệt độ nung nóng t0- nhiệt độ môi trường xung quanh Thay vào phưong trình (1) ta có: Pdτ = mcdt + KF ( t − t0 ) dτ (2) Phương trình (2) cịn gọi phương trình truyền tải cơng suất Chia hai vế cho KF dτ mc dt P + t − (t0 + )= KF dτ KF mc = T − số thời gian Đặt KF P dt t0 + = ty − nhiệt độ ổn định vật =0 KF dτ Có phương trình: dt → T + t − ty = (3) dτ Biểu thức (3) phương trình cân nhiệt vật nung nóng §2 Phương trình nhiệt độ nung nóng Giải phương trình (3) với điều kiện τ = có t = tđ nhiệt độ đầu, sau thời gian τ đủ lớn có nhiệt độ ổn định t = ty nhiệt độ ổn định có phương trình nhiệt độ nung nóng: − τ T − τ T (4) t = t®.e + ty(1− e ) T- số thời gian nung nóng Biểu diễn đường nhiệt độ nung nóng đồ thị hình t ty T t® t0 Hình 1- Phương trình nhiệt độ nung nóng 2- Phương trình nhiệt độ làm nguội Đường nung nóng nhiệt độ đầu tđ τ = Về lý thuyết để đạt nhiệt độ ổn định ty cần thời gianτ ≈ ∞ Thực tế thời gian τ = ( 3÷ 4) T bắt đầu có nhiệt độ t = ( 0,95 ữ 0,98) ty Đ3 Phng trỡnh nhit độ làm nguội Từ phương trình nhiệt độ nung nóng (4) đặt tđ = ty , ty = t0 - nhiệt độ mơi trường, có phương trình nhiệt độ làm nguội sau: Nhờ có phương trình: − τ T − τ T t = ty.e + t0(1− e ) (5) T’ số thời gian làm nguội Theo (5) để có t = t0 cần có thời gian τ ≈ ∞ thực tế τ ' = ( ÷ 8) T → t' = t0 §4 Phương trình tốc độ nung nóng Một đặc trưng nung nóng tốc độ nung nóng Trong luyện kim, gia cơng chi tiết máy, kỹ thuật sấy… tốc độ nung nóng có ý nghĩa quan trọng đến chất lượng suất q trình Ví dụ, kỹ thuật sấy lúc đầu chọn tốc độ nung nóng q cao khơng hợp lý lớp ngồi sản phẩm khơ nhanh tạo lớp bọc khơng cho nước bốc từ phía … làm cho sản phẩm chất lượng Biểu thức phương trình tốc độ tìm từ phương trình nhiệt độ dt nung nóng cách lấy đạo hàm theo thời gian τ : biểu thức dτ dt ty − t® − τT = e (6) dτ T - Tốc độ nung nóng cực đại: từ phương trình (6) thấy tốc độ nung dt nóng cực đại ( )max đạt thời điểm τ = 0, tức thời điểm đầu: dτ t −t dt ( )max = y ® dτ T Ở thời điểm đầu chưa có tổn hao nên đường tăng nhiệt gần đường thẳng §6 Thời gian nung nóng τ − τ − τ Từ phương trình nhiệt độ nung nóng t = t®.e T + ty(1− e T ) xác định thời gian nung nóng τ τ = T ln ty − t® (7) ty − t Theo biểu thức (7) tìm thời gian nung nóng τ tới nhiệt độ t khoảng từ tđ tới ty Trong thực tế xác định số thời gian T, tìm thời gian nung nóng theo kinh nghiệm : τ = ( 3÷ 4) T §5 Hằng số thời gian T Hằng số thời gian nung nóng T thơng số quan trọng, giá trị có mc T= - tỷ số để vật đạt tới giá trị nhiệt độ ổn định chế độ KF nung nóng khơng có toả nhiệt mơi trường, xác định T theo phương pháp đồ thị hình Hằng số thời gian T không phụ thuộc vào công suất đưa tới vật mà phụ thuộc vào điều kiện toả nhiệt CHƯƠNG III TÍNH CƠNG SUẤT THIẾT BỊ ĐIỆN NHIỆT VÀ TÍNH CÁCH NHIỆT §1 Cơng suất hữu ích Cơng suất hữu ích Ph cơng suất làm biến đổi lượng nhiệt vật nung để nâng cao nhiệt độ cho vật nung Dựa vào phương trinh truyền tải công suất đưa trên: Pdτ = mcdt + KF ( t − t0 ) dτ Chia cho dτ có dt P = mc + KF ( t − t0 ) dτ Trong đó: P- cơng suất đưa vào để nung nóng vật nung phần tổn hao xung quanh nung nóng thiết bị m- khối lượng vật nung nóng c- tỷ nhiệt vật nung nóng K- hệ số truyền nhiệt xung quanh F- bề mặt truyền nhiệt xung quanh τ - thời gian nung t- nhiệt độ nung t0- nhiệt độ mơi trường Để đơn giản cho tính tốn coi phần tổn hao Toàn nhiệt lượng đưa vào để nung nóng vật tức biến thành cơng suất hữu ích, ta có: dt P = Ph = mc dτ dt Thành phần thời điểm đầu τ = tốc độ nung cực đại dτ ty − t® dt coi ÷ = T dτ τ =0 ty = t - nhiệt độ nung nóng tđ = t0 - nhiệt độ môi trường T = τ - thời gian nung nóng Có biểu thức sau: mc( t − t0 ) (1) τ Biểu thức (1) tính cơng suất Ph vật Trong lấy đơn vị theo: m (kg), c( J/ 0C kg); t, t0 ( 0C); τ (s) Ph(W) → Ph = §2 Cơng suất tính tốn (Ptt ) Cơng suất tính tốn Ptt có tính tới thành phần công suất tổn hao xung quanh tổn hao để nâng nhiệt độ thiết bị, ta có: Ptt = Ph + ∆Pth ∆Pth cơng suất tổn hao gồm hai thành phần: + ∆Pmt - tổn hao môi trường xung quanh + ∆Ptb - tổn hao nâng nhiệt độ thiết bị §3 Cơng suất thiết bị Ptb Cơng suất thiết bị Ptb dùng để tính tốn thiết kế cơng suất Ptt có thêm hệ số dự phòng KZ Ptb = KZ Ptt (3) KZ - thường chọn K Z = 1,10 ÷ 1,15 Trong thực tế đơn giản, theo kinh nghiệm chọn Ptb theo cơng suất hữu ích Ph sau; Ptb = 1,2 Ph (4) §4 Tính cơng suất số q trình nung nóng Đưa số biểu thức để tính cơng suất hữu ích số q trình sau đây: Nung nóng có thời gian τ mc( t − t0 ) → Ph = (5) τ Với: m (kg), c ( J/ 0C kg), t, t0 (0C ), τ (s) , Ph (W) Nung nóng liên tục Ph = mc (t – t0 ) (6) Nung nóng nóng chảy với thời gian τ m(c( t − t0 ) + a) → Ph = (7) τ Nhưng nung tơi sâu địi hỏi máy phát phải có cơng suất lớn gây khó khăn chế tạo, tăng giá thành thiết bị Nung bề mặt Được thực tần số tương đối cao so với nung sâu Lúc độ thấm sâu Za nhỏ nhiều so với độ thấm sâu cần nung tơi XK , biểu diễn hình tP t t X K Za Za XK Hình biểu diễn phân bố nhiệt độ từ bề mặt vào sâu vật nung chế độ nung bề mặt Ở chế độ nung bề mặt Za < XK, việc nung nóng tồn độ dày XK dẫn nhiệt vật nung Ưu điểm nung bề mặt công suất dùng cho độ sâu Za nhỏ, nhờ giảm cơng suất máy phát, thuận tiện cho chế tạo Hình cơng suất hữu ích tỷ lệ với phần gạch chéo Ở tần số thấp qui định việc thực nung tơi khơng thực độ thấm sâu dịng lớn, lượng nhiệt khơng đủ để đảm bảo nhiệt độ nung Ở phương pháp cảm ứng thực nung bề mặt nung sâu- ưu điểm phương pháp này, lị điện trở khơng thực nung sâu Chọn tần số nung Tần số nung chọn theo kết hợp với kinh nghiệm vận hành.Tuỳ theo phương thức nung bề mặt hay nung sâu mà đưa giá trị cụ thể Trong thiết bị nung tơi có bảng giá trị cho phương thức Ở đưa giá trị mang tính ví dụ; Tần số chọn phải phù hợp với độ dày nung Za theo: ρ Za = 5030 t µf Vậy nên tăng tần số độ dày nung Za giảm ngược lại Với nung sâu chọn theo: 104 4.105 < f < (Hz) XK2 XK Với vật đơn giản dạng trụ, đường kính d (mm) cần nung tơi xun suốt trụ chọn: 3.106 f = (Hz) d với XK(mm) d (mm) Với nung bề mặt tần số xác đinh theo khoảng: 4.106 f> (Hz) XK Với vật đơn giản ( mặt phẳng, dạng trụ…) xác định theo 5.104 f= (Hz) XK Với chi tiết phức tạp chọn tần số theo 5.106 f= (Hz) XK Ngồi sử dụng thiết bị nung tơi tìm sổ tay tài liệu hướng dẫn § Tính cơng suất máy phát cấp nguồn Điện áp cấp cho cuộn cảm ứng Công suất máy phát Pn tính theo ∆P.S Pn = η cosϕ Với : ∆P - mật độ cơng suất bề mặt phía cuộn cảm ứng S- diện tích bề mặt cuộn cảm ứng η - hiệu suất thường từ 0,50 – 0,87 cosϕ - hệ số công suất, hệ số cosϕ thấp từ 0,1 – 0,3 Điện áp cấp cho cuộn cảm ứng nung thường chọn theo kết hợp với kinh nghiệm; đưa khoảng chọn: U = ( 50 – 250 ) V Với nung bề mặt: U = ( 50 – 100 ) V Nâng cao hệ số công suất cho cuộn cảm ứng Cuộn cảm ứng có hệ số cơng suất cosϕ thấp cosϕ = 0,1 – 0,3 bắt buộc phải nâng cao hệ số công suất Trị số tụ điện C dùng để nâng cao hệ số cơng suất tính theo: P C = 2n ( tgϕ1 − tgϕ2 ) Uω Với Pn – công suất nguồn , W U – áp cuộn cảm ứng, V ω = 2π f - ; f- tần số dịng cảm ứng tgϕ1 - từ hệ số cơng suất trước nâng cao cosϕ1 tgϕ2 - từ hệ số công suất trước nâng cao cosϕ2 C- trị số tụ điện , F Các tụ điện đấu song song với cuộn cảm ứng § Các loại lò luyện kim theo phương pháp cảm ứng Hiện luyện kim, sản xuất sắt thép xây dựng, thép hợp kim, chế tạo máy… thường dùng lò cảm ứng Xét hai loại lò phổ biến: Lò máng ( lị có lõi thép) U Hình Trên hình - cấu tạo lị máng 1- Lõi thép 2- Cuộn cảm ứng 3- Máng 4- Thép hợp kim Nhờ có lõi thép, từ thơng lõi lớn nhờ dịng cảm ứng thép lớn, tạo nhiệt độ cao, tốc độ nung chảy cao Loại lò dùng phổ biến cho thép hợp kim Lị nồi ( lị khơng có lõi thép) U Hình Hình 2- cấu tạo lò nồi 1- Vỏ lò 2- Cuộn cảm ứng 3- Thép hợp kim Lị nồi khơng có lõi thép, từ thơng biến thiên qua kim loại nhỏ lị máng, nhiệt độ thấp chịu tác động lực điện động, nhiệt độ cao nhờ thép bị phế phẩm, bị cháy, phù hợp luyện kim loại có giá trị § Nguồn áp cung cấp cho cuộn cảm ứng Nguồn áp cho cuộn cảm ứng địi hỏi phải có tần số cao nhiều tần số dịng điện cơng nghiệp 50 Hz đồng thời phải điều chỉnh làm việc ổn định thiết bị nung luyện kim Điểm qua số nguồn áp sử dụng phương pháp cảm ứng sau: Máy phát tần số cao: máy phát đồng với roto có số đơi cực từ p, tần số f dòng điện phát là: np f = (Hz) 60 n- số vòng quay roto Khi tăng số đôi cực từ p tăng tần số f Nhưng số đôi cực từ p bị hạn chế kết cấu máy Do tần số loại máy phát hạn chế f ≤ 800Hz loại máy phát trước dùng lò luyện kim Máy phát điện cảm ứng Tần số máy phát điện cảm ứng f xác định theo: nZ f= (Hz) 60 với n- tốc độ quay roto Z - số roto Khi tăng số Z roto tăng tần số f Máy phát điện cảm ứng làm việc với tần số f < KHz Các loại máy phát điện quay có nhược điểm hiệu suất thấp, kích thước lớn, vận hành bảo hành khó… Ngày với kỹ thuật điện tử công suất phát triển người ta tạo nguồn áp có hiệu suất cao, làm việc ổn định, khơng tiếng ồn với nhiều tính ưu việt khác Sau xem xét mạch điện tử công suất Bộ biến đổi tần số tnh Cuộn cảm ứng CCƯ L BA T2 T4 T6 C T1 T3 T5 T7 FX BiÕn ¸p xung BAX T8 Hình Hình 1- sơ đồ nguyên lý biến đổi tần số tĩnh mạch điện tử công suất, cấp điện áp cho cuộn cảm ứng lị luyện kim Có thể trình bày ngun lý làm việc mạch sau: từ biến áp nguồn ba pha BA đưa áp thích hợp vào chỉnh lưu dùng Tiristor T1, T2, T3 , T4, T5, T6 bố trí hình Nguồn áp từ chỉnh lưu qua lọc L đưa vào nghịch lưu, tạo áp tần số cấp cho cuộn cảm ứng, áp cấp cho cuộn cảm ứng khoảng 50 – 250 V, tuỳ thuộc trường hợp cụ thể Bộ nghịch lưu làm việc sau: thời điểm đầu phát xung phát xung FX để mở tiristor T7, dòng qua T7 vào biến áp xung BAX nạp tụ C Qua BAX áp cấp cho cuộn cảm ứng CCư Ở thời điểm sau, phát xung mở T8, dòng qua T8 qua BAX đồng thời C phóng điện qua T7 qua T8 làm đóng T7… Thời điểm lại tiếp tục lại từ đầu Tần số dòng điện cuộn cảm ứng CCư định tần số phát xung FX Tần số dòng cuộn cảm ứng dùng mạch điện tử công suất giới hạn khoảng 30 KHz Với tần số thích hợp cho lị luyện kim Với lị nung tơi chi tiết máy yêu cầu phải có tần số tới hàng trăm KHz với mạch điện tử công suất không đáp ứng được, người ta thiết kế mạch điện tử tần số cao dùng đèn điện tử Máy phát dùng đèn điện tử tần số cao Trong phương pháp cảm ứng tuỳ theo tần số dòng điện cuộn cảm ứng phân thành: - Tần số thấp tần số công nghiệp 50 Hz - Tần số trung, khoảng từ 150 – 10000 Hz - Tần số cao khoảng từ 60 KHz – 100 MHz Với dịng điện có tần số từ 150 – 500 Hz nhận từ máy phát đồng bộ, cần tần số cao dùng máy phát cảm ứng Ở thời gian kỹ thuật điện tử công suất phát triển máy phát đồng tần số cao máy phát cảm ứng thay biến đổi tần số tĩnh thực Tiristor máy biến áp, trình bày Dòng điện cuộn cảm ứng tần số cao từ 60 KHz trở lên thực nhờ máy phát dùng đèn điện tử Các máy phát dùng đèn điện tử sử dụng với nhiều mục đích khác kỹ thuật gia cơng nhiệt nung bề mặt, nấu luyện hợp kim… BA BAX CL Đ CCƯ V K1 K2 Hỡnh Hỡnh sơ đồ mô tả máy phát dùng đèn điện tử BA- biến áp nguồn CL- chỉnh lưu Đ- đèn điện tử BAX- biến áp xung CCư- cuộn cảm ưng V- vật nung K1, K2- hệ số phản hồi Các máy phát dùng đèn điện tử công nghiệp chế tạo với công suất tới 250 KW cao đáp ứng yêu cầu CHƯƠNG VIII PHƯƠNG PHÁP HỒ QUANG §1 Hồ quang đặc tính hồ quang điện Hồ quang điện Đó tượng phóng điện ổn định mơi trường loại khí, đặc trưng mật độ cao dòng điện Bản chất hồ quang Hồ quang chuyển động dịng điện mơi trường bị ion hố khơng kèm thưo phân cực, hồ quang tạo dòng chiều dòng xoay chiều Dòng điện hồ quang đặc trưng mật độ cao lượng nhiệt truyền cho vật nung nóng nhờ tăng tốc ion trường điện xạ hồng ngoại lớn cột hồ quang Cột hồ quang có nhiệt độ cao, đạt từ 5000 0C đến 12000 C Bởi hồ quang nung chảy kim loại, hợp kim cứng Sự kích thích tạo hồ quang bắt đầu tiếp xúc điện cực ngắn mạch Tai nơi tiếp xúc điện cực vật ( chi tiết ) sinh lượng nhiệt lớn làm cho kim loại bắt đầu có nóng chảy Khi đưa điện cực tách khỏi chi tiết liên kết kim loại nóng chảy bị kéo theo, lúc tiết diện chúng giảm xuống nhiệt độ tăng lên Tiếp tục kéo điện cực thêm xẩy bay kim loại phần tử khí Các ion dương chuyển động katốt điện tử ion âm chuyển động anốt, thời điểm hồ quang xuất Dịng điện tích gia tốc trường điện chúng truyền động bắn phá vào điện cực chúng nung nóng điện cực Katơt truyền lượng nhỏ anôt nhiệt độ Katơt thấp anơt Ví dụ điện cực than katơt có nhiệt độ khoảng 2500 – 3500 0C, với điện cực kim loại katơt có nhiệt độ 2300 – 2400 0C Sau tạo hồ quang, hồ quang ổn định nhờ ion hoá, phát xạ điện tử điện cực va chạm tạo động lớn tạo phát xạ thứ cấp tăng cường hạt mang điện, ion, điện tử… Năng lượng tạo q trình làm tăng nhiệt độ xạ dạng hồng ngoại, cực tím tia khơng nhìn thấy § Ứng dụng phân loại hồ quang Ứng dụng hồ quang Với toả nhiệt lớn cột hồ quang, điện cực, tính chất dùng để hàn nấu chảy kim loại lò hồ quang trực tiếp Với xạ tia hồng ngoại lớn, dùng tính chất lị hồ quang gián tiếp Với việc tạo xạ nhìn thấy, dùng để thắp sáng dùng đèn pha, đèn hải đăng Với tính chất xạ cực tím mạnh, dùng máy phát phát tia cực tím Song thực tế khơng dùng hồ quang làm máy phát tia cực tím hiệu suất thấp Phân loại hồ quang Phân loại hồ quang thực theo số cách sau: a Hồ quang dạng hở: hồ quang loại diễn khơng khí b Hồ quang dạng kín: hồ quang tồn lớp bảo vệ c Hồ quang mơi trường khí bảo vệ Phân loại theo tính chất dịng điện gồm có: a Hồ quang dòng chiều b Hồ quang dòng xoay chiều pha c Hồ quang dòng xoay chiều ba pha Ưu điểm hồ quang dòng chiều ổn định, chất lượng hồ quang tốt dòng xoay chiều Khi hàn dòng chiều thường phân thành cực thuận cực ngược Cực thuận đưa cực âm nguồn vào que hàn Vật hàn nối với cực dương nguồn Do anôt toả nhiệt lượng lớn katơt cần thiết cho nóng chảy phần kim loại bề mặt vật hàn Cực ngược đưa cực âm nguồn vào vật hàn, cực dương nguồn nối với que hàn Sau nói tới số ứng dụng phương pháp hồ quang luyện kim hàn điện § Các loại lị hồ quang điện sử dụng luyện kim Lò điện hồ quang trực tiếp Ở hình hồ quang tạo điện cực nối với áp ba pha trực tiếp với quặng kim loại Điện cực than, đặt thẳng đứng Do hồ quang trực tiếp điện cực quặng tạo nhiệt độ cao Ưu điểm loại lò điện trực tiếp tạo nhiệt độ cao, suất cao Nhược điểm tạo xỉ nhiều mòn điện cực gây nên, nhiệt độ cao làm cháy kim loại nhiều Hình 1 Điện cực Vỏ lò Hồ quang Quặng Lò điện hồ quang gián tiếp Lò điện cực đặt nằm ngang hình , cách quặng khoảng Hồ quang tạo điện cực với nhiệt lượng lớn truyền cho quặng chủ yếu xạ Nhờ nhiệt độ quặng khơng q cao so với lị trực tiếp, nhờ tránh cháy kim loại tạo xỉ Nhược điểm điện cực đặt ngang nên dùng loại điện cực kích thước nhỏ Bởi cơng suất loại lị khơng lớn Hình Điện cực Vỏ lò Hồ quang Quặng 3.Lị điện hồ quang điện trở Loại có ba điện cực nối vào nguồn ba pha nhúng ngập vào quặng Hồ quang tạo thành lòng quặng, ngồi lượng cịn tạo dịng điện chảy điện cực Loại lị có hiệu suất suất cao Các loại lò điện hồ quang chủ yếu dùng lò nấu luyện quặng A B C Hình Điện cực Vỏ lò Hồ quang Quặng kim loại § Hàn điện hồ quang Ứng dụng hồ quang để hàn, phổ biến sản xuất, xây dựng, sửa chữa…Bởi ưu điểm thiết bị không phức tạp, tiết kiệm nguyên vật liệu so với phương pháp gia cơng khác, có độ bền học cao, giá thành hạ, suất cao… Yêu cầu nguồn hàn hồ quang Để tạo hồ quang hàn điện nguồn hàn có ý nghĩa định, sau đưa số yêu cầu nguồn hàn sau: a Yêu cầu trước tiên nguồn hàn phải đảm bảo ổn định hồ quang Muốn điện áp không tải phải đủ lớn để tạo hồ quang Sau trị số điện áp tạo hồ quang nguồn chiều xoay chiều: +) Với nguồn chiều: áp tạo hồ quang U0 = ( 30 – 55 ) V Trong cịn phụ thuộc vào vật liệu điện cực - Với điện cực kim loại: U0 = ( 30 – 40 ) V - Với điện cực than: U0 = ( 45 – 55 ) V + )Với nguồn điện xoay chiều: áp tạo hồ quang U0 = ( 50 – 60 ) V TRị số giới hạn áp tạo hồ quang xác định dựa vào độ an toàn, thường dao động khoảng ( 60 – 70 ) V Khi máy biến áp hàn, với dòng hàn từ 2000 A trở lên áp không vượt 90 V b Để đảm bảo an toàn cho thợ hàn, thiết bị hàn chế độ làm việc ngắn mạch Bội số dòng ngắn mạch phải thoả mãn: I = n = 1,2 ữ 1,4 I đm λ - số dòng ngắn mạch I – dòng ngắn mạch (A ) Iđm – dòng hàn định mức (A) c Nguồn hàn phải cố công suất đủ lớn d Nguồn hàn phải có khả điều chỉnh điện áp Khi thực hàn với đối tượng vật hàn có độ dày, mỏng khác nhau, cần điều chỉnh dịng hàn, que hàn Dịng hàn phụ thuộc đường kính que hàn theo biểu thức kinh nghiệm sau: Ih = ( 40 – 60 ) d Ih – dòng hàn (A); d- đường kính que hàn ( mm) Việc điều chỉnh dòng hàn thực điều chỉnh điện áp nguồn e Đặc tính hàn (đặc tính vơn – ampe ) thiết bị hàn phải đảm bảo ổn định hồ quang Đặc tính hàn đường biểu diễn quan hệ điện áp đầu U nguồn hàn dòng điện hàn I: U = f ( I) – quan hệ gọi đặc tính ngồi Để đảm bảo ổn định hồ quang hàn, đặc tính hàn phải dốc Ví dụ có đặc tính ngồi nguồn hàn hìng Đó đường đặc tính dốc U U =f(I) c U b I®m a In I I Hình Giả sử thời điểm a hình q, chạm que hàn (điện cực ) vào vật hàn, xẩy ngắn mạch, dòng ngắn mạch In xuất tương ứng điểm a- dịng lớn làm tiếp xúc nóng chảy Đưa que hàn khỏi vật hàn, xuất hồ quang điện áp que hàn vật hàn tăng lên theo đường U = f( I) điểm b có hồ quang ổn định Và dịng điện xác định định mức Iđm Khi có thay đổi cột hồ quang, trình hàn tạo làm có thay đổi áp hồ quang ∆U lớn, song nhờ đặc tính dốc nên dịng hàn với thay đổi ∆I nhỏ đảm bảo hồ quang trì ổn định hình In Mặt khác đặc tính ngồi dốc, bội số dịng điện λ = khơng I ®m In = 1,2 ÷ 1,4an tồn cho thợ hàn lớn đảm bảo qui định λ = I ®m Khi không thực yêu cầu λ = 1,2 ÷ 1,4 nguồn hàn phải chịu tải lớn, chất lượng hàn khơng an tồn cho thợ hàn kim loại cháy nổ Ngồi đường đặc tính ngồi dốc, cịn có đặc tính ngồi cứng tăng, dùng để hàn có bảo vệ mơi trường có khí bảo vệ, hàn tự động § Điều chỉnh dịng điện hàn Vật hàn có độ dày khác nhau, với độ dày, mỏng khác dòng điện hàn cần điều chỉnh hợp lý Muốn nguồn hàn phải trang bị cấu điều chỉnh theo cấp điều chỉnh trơn ( vơ cấp ) dịng hàn Như nói để tạo đặc tính hàn (đặc tính ngồi ) dốc, cần có độ rơi điện áp Việc tạo điện áp rơi thực chế tạo nguồn áp, ví dụ với nguồn áp máy biến áp,thì cần chế tạo tăng điện áp ngắn mạch cách mắc thêm điện kháng ( cuộn dây) nối tiếp với nguồn Trong trường hợp phương trình đặc tính hàn (đặc tính ngồi ) có dạng: (1) U = U0 − I Zt® U0- điện áp lúc khơng tải nguồn Un - điện áp nguồn có dòng hàn I – dòng điện hàn Ztđ - tổng trở tương đương, bao gồm tổng trở nguồn tổng trở cuộn kháng nối thêm Hình biểu diễn đặc tính hàn điều chỉnh dịng hàn cách thay đổi điện áp nguồn không tải U01, U02 , U03 tương ứng với điện áp hàn làm việc U có dịng điều chỉnh I1, I2, I3 U U01 U02 U U03 U0 U U I I1 I I3 Hình I I1 I2 I3 Hình Hình điều chỉnh dịng hàn cách thay đổi tổng trở cuộn kháng nối tiếp với nguồn Trong tổng trở Ztđ với thay đổi Ztđ có đường đặc tính hàn khác ứng với điện áp làm việc U có dịng điện hàn I1, I2, I3 § Chế độ làm việc nguồn hàn hệ số tiếp điện Thiết bị hàn làm việc chế độ ngắn hạn lặp lại: thời gian làm việc dài máy hàn thời gian hàn hết que hàn ký hiệu τ lv ,thời gian nghỉ ngắn thời gian đủ thay que hàn mồ hồ quang kí hiệu τ n Với máy hàn tự động thời gian làm việc dài hàn hết lô que hàn Máy hàn làm việc ổn định thoả mãn điều kiện lượng, làm việc toả Q1 lượng toả môi trường xung quanh Q2 chu kì làm việc, viết được: Q1 = Q2 Với Q1 = I Rτ lv - nhiệt lượng toả thời gian hàn τ lv Q2 = K ( τ lv + τ n ) - nhiệt lượng toả mơi trường chu kì làm việc τ lv + τ n ; τ lv - thời gian làm việc τ n - thời gian nghỉ K- hệ số đặc trưng cho chế độ toả nhiệt nguồn hàn Coi gần K = const viết biểu thức sau: I 2Rτ lv = K ( τ lv + τ n ) (1) Chia biểu thức (1) cho R( τ lv + τ n ) có: τ lv K I2 = = const (2) τ lv + τ n R τ lv = T§ gọi hệ số tiếp điện nguồn hàn hồ quang Đặt : τ lv + τ n Thường tính vào phần trăm: τ T§ %= lv 100% (3) τ lv + τ n TĐ% thông số ghi tài liệu hướng dẫn sử dụng máy hàn hồ quang Quan hệ dòng điện hàn I hệ số tiếp điện TĐ% Từ biểu thức (2) ta suy quan hệ dòng điện hàn hệ số tip in l: I đm2.TĐ %đm = I 2TĐ % (4) Trong đó: Iđm – dịng hàn định mức TĐ% đmlà hệ số tiếp điện định mức ứng với Iđm I- dòng điện hàn khác định mức TĐ% - hệ số tiếp điện ứng với dòng hàn I Khi máy làm việc dài hạn tức giá trị TĐ%v= 100% Từ biểu thức (4) máy hàn làm việc khác định mức với hệ số tiếp điện TĐ% dịng hàn phải chọn theo: T § %đm I = I đm (5) TĐ % V ngc lại đưa máy hàn làm việc với dòng điện I khác định mức hệ số tiếp điện TĐ% chn theo : Iđ TĐ T Đ % = m đm I (6) Đ7 Mt s ngun in hàn Về hàn hồ quang thực tế phổ biến số nguồn hàn sau: Máy biến áp hàn Tổ động – máy phát chiều Mạch điện tử công suất Máy biến áp hàn hồ quang dùng dòng xoay chiều pha ba pha Với loại máy biến áp hàn pha thiết bị hàn dòng xoay chiều, đơn giản, rẻ tiền phổ biến, thông dụng sản xuất yêu cầu chất lượng mối hàn không cao Ví dụ hình sơ đồ máy biến áp hàn pha đơn giản phổ biến U U0 U =f(I) U Hình I Hình Máy biến áp với sơ cấp W1, thứ cấp W2 nhiều tần Cuộn kháng CK để điều chỉnh Cơ cấu điều chỉnh Que hàn Hồ quang Vật hàn Cuộn thứ cấp máy biến áp hàn có nhiều đầu với điện áp khác tạo nên điều chỉnh điện áp nhiều cấp cho nguồn hàn Nối thêm cuộn kháng với cấu điều chỉnh để điều chỉnh điện kháng nó, cho phép thay đổi điện áp hàn, đồng thời tăng tổng trở viết đựoc điện áp thứ cấp theo biểu thức: U = I ZCK + I Z2 Với : U0 – áp thứ cấp I – dòng hàn Zck - tổng trở cuộn kháng Z2 - tổng trở cuộn thứ cấp Tạo nên đặc tính dốc cần thiết cho chế độ hàn hình Tổ động – máy phát chiều hàn hồ quàn chiều cho chất lượng tốt, song phổ biến máy hàn hồ quang mạch điện tử công suất phát triển Loại máy hàn dùng mạch điện tử công suất kết hợp máy biến áp mạch điện tử cơng suất cho phép hàn dòng chiều dòng xoay chiều Hiện phổ biến kỹ thuật hàn hồ quang, cho chất lượng hàn tốt, suất cao, dể sử dụng….Trong hàn MiG, MAG, TiG, dùng khí, đóng tàu biển… ... điểm K đóng cấp điện cho lò Khi nhiệt độ đạt nhiệt độ tmax,tiếp điểm tmin hở, rơle R điện, tiếp điểm R hở cơng tắc tơ điện, tiếp điểm K hở,lị điện điện Đường tăng giảm nhiệt độ quanh nhiệt độ đặt... đầu (điểm ) nhiệt K điểm tuyệt đối nhiệt độ K §5 Phân loại thiết bị điện nhiệt Để tiện cho quản lý thiết bị điện nhiệt phân loại theo số đặc tính sau: Phân loại theo nhiệt độ - Loại nhiệt độ thấp:... hồ quang gián tiếp 4.Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp điện mơi Hình trình bày ngun lý làm việc: vật nung loại không dẫn điện bán dẫn đặt không gian hai má tụ điện Tụ điện nối với