2.2.3.1. Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật điện nhiêt.
Kỹ thuật điện nhiệt là kỹ thuật biến đổi điện năng thành nhiệt dựa trên cơ sở các
định luật vật lý. Kỹ thuật điện nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và sinh hoạt. Ví dụ như trong các nhà máy xí nghiệp thường gặp các lò điện trở, thiết bị sấy, thiết bị nung nóng. Trong sinh hoạt gặp những thiết bị nung nóng nước, nồi cơm điện, bình nóng lạnh, thiết bị sưởi ấm, lò vi sóng,…Có thể phân loại thiết bị điện nhiệt theo các phương pháp sau:
+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp điện trở: Là thiết bị biến đổi
điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt. Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền nhiệt dẫn điện, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt.
+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo nguyên lý cảm ứng: Khi một vật đặt trong từ trường biến thiên trong vật sẽ cảm ứng dòng điện và vật được nung nóng.
+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp hồ quang: Là lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang giữa các điện cực hoặc giữa điện cực và kim loại. Phương pháp này dùng để nấu thép hợp kim chất lượng cao.
+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp điện môi: Vật nung là loại không dẫn điện hoặc bán dẫn được đặt giữa không gian hai má tụ điện. Tụđiện được nối với nguồn áp có tần số siêu cao hàng chục, hàng trăm hoặc hàng nghìn MHz, dưới tác dụng của điện trường biến thiên với tần số siêu cao trong vật sẽ có dòng điện dịch, kết quả vật được nung nóng.
+ Thiết bịđiện nhiệt làm việc theo phương pháp điện tử: Năng lượng điện biến thành nhiệt do va chạm của dòng điện tử được gia tốc cao trong trường điện với những vật gia công (vật nung nóng).
+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp laser: Dựa theo nguyên lý bức xạ ánh sáng, do các electron từ mức năng lượng thấp nhảy sang mức năng lượng cao, rồi từ cao nhảy về thấp thì phát ra bức xạ tạo ra nhiệt.
+ Thiết bị điện nhiệt làm việc theo phương pháp plasma: Năng lượng điện biến vào nhiệt trong dòng vật chất bị ion hóa dưới tác dụng của điện trường giữa điện
cực trong áp suất lớn và tốc độ cao của dòng plasma. Do bị ion hóa và nén trong thể
tích không lớn nên mật độ nhiệt lớn, cho phép tạo ra nhiệt độ tới hàng vạn độ.
Sau khi phân tích các phương pháp trên ta lựa chọn phương pháp nung nóng bằng điện trở, vì đây là phương pháp biến điện năng thành nhiệt năng đơn giản, đáp
ứng được cho yêu cầu của thiết bị. Nhờ tính đơn giản nên thiết bị sử dụng phương pháp này này phổ biến, rẻ tiền và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và trong sinh hoạt.
Phương pháp này dựa trên nguyên lý: Khi cho dòng điện có trị số I qua dây đốt (dây nung nóng) có điện trở R, sau thời gian thì dây đốt tỏa ra nhiệt lượng Q tỷ lệ với R theo biểu thức:
( J )
Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thểđóng vai trò: + Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp.
+ 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.
Trong trường hợp chung ta viết được:
Trong đó: là hàm dòng điện và điện trở của biến thời gian .
2.2.3.2. Tính chọn điện trở theo phương pháp trực tiếp.
Theo phương pháp này ta sẽ biến tấm khuôn trên và tấm khuôn dưới thành điện trở bằng cách đưa trực tiếp dòng điện vào 2 tấm khuôn thông qua một máy biến áp có cấp điều chỉnh điện áp như hình 2.2.
2 3
4 3 2 1
U
1
1. Máy biến áp có cấp điều chỉnh điện áp 2. Tấm khuôn dưới 3.Tấm khuôn trên Hình 2.2. Sơđồ nguyên lý của phương pháp điện trở trực tiếp. Các thông số ban đầu của tấm thép: + Chiều dài của tấm thép L = 180mm + Chiều rộng của tấm thép B =100mm + Bề dày của tấm thép H =12mm + Nhiệt độ ban đầu của tấm thép T0 = 200C + Nhiệt độ nung nóng của tấm thép T1 = 1200C + Điện trở suất của tấm thép = 0.135.10-4 Tính điện trở của tấm thép:
Trong đó: - là chiều dài tấm. - S là tiết diện của tấm ép. - là điện trở suất.
Ở kim loại hợp kim điện trở suất tăng theo sự tăng của nhiệt độ t và được tính theo công thức:
Với: độ tăng nhiệt từ 200C, (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
điện trở suất ở nhiệt độ t = 200C. , hệ số nhiệt điện trở.
, Ta được:
- là hệ số hiệu ứng bề mặt. phụ thuộc vào tính chất vật lý, kích thước vật làm dây đốt và tần số dòng điện, được xác định theo công thức sau:
Tính độ thẩm thấu sâu của dòng điện vào bề mặt nung tôi là:
Với: + điện trở suất của dây dốt ở nhiệt độ làm việc + hệ số từ thẩm tương đối, với thép hợp kim ta chọn + f là tần số dòng điện, f = 50HZ
Ta được:
Hệ số a được xác định theo công thức:
Từđó ta có:
Điện trở vật nung là:
Do điện trở của tấm thép quá nhỏ làm cho dòng đi qua nó quá lớn mới đủ năng lượng nung nóng chi tiết. Trên thực tế, để lựa chọn được máy biến áp với dòng như
vậy là rất khó khăn và dường như không có. Ngoài ra điện trở tiếp xúc lớn so với điện trở của tấm thép dẫn tới nhiệt phân bố không đều. Do vậy trong thiết kế này ta sử dụng phương pháp nung nóng bằng điện trở gián tiếp để nung nóng tấm khuôn ép của thiết bị.
2.2.3.3. Tính chọn điện trở theo phương pháp nung nóng gián tiếp.
Trong nung nóng gián tiếp dây đốt là bộ phận biến năng lượng điện thành nhiệt, là nơi làm việc có nhiệt độ cao nhất. Dây đốt có nhiều loại, khác nhau về hình dạng chất liệu, điều kiện làm việc, mục đích, công suất.
a. Phân loại một số dây đốt thông dụng.
Dây đốt được phân thành hai kiểu thông dụng sau:
- Dây đốt hở: Là loại không khí tiếp xúc trực tiếp với dây đốt hoặc môi trường nung nóng tiếp xúc với dây đốt. Loại này thường được sử dụng trong các lò điện trở, thiết bị sấy nung bằng không khí, bếp điện, thiết bị sưởi ấm,…
Ưu điểm của dây dốt hở là truyền tỏa nhiệt dễ, dễ bố trí trọng thiết bị, dễ sữa chữa, rẽ tiền,…
Nhược điểm của dây đốt hở là dễ bịăn mòn, oxy hóa khi tiếp xúc với môi trường nung nóng, nhất là ở nhiệt độ cao, thời gian sử dụng không cao và kém an toàn.
- Dây đốt kín: Là loại có phần tử nung nóng đặt trong vỏ bọc bằng kim loại, để
bảo vệ khỏi tác động của môi trường được nung nóng. Phần tử nung nóng được định vị
trong chất cách điện dẫn nhiệt như cát thạch anh, bột MgO.
Dây đốt kín có lớp vỏ kim loại bảo vệ nên có ưu điểm là thời gian sử dụng cao, an toàn, đảm bảo chất lượng tốt hơn so với dây đốt hở.
b. Vật liệu chế tạo dây đốt.
Dây đốt là bộ phận chịu nhiệt độ cao nhất và bị ăn mòn trong quá trình biến đổi
điện thành nhiệt. Sự bền của dây đốt được xác định bằng thời gian sử dụng của dây
đốt. Khi chọn dây đốt đúng, thời gian làm việc dây đốt không quá 5 - 10 ngìn giờ. Trong khi thiết bị được chế tạo cho 5 – 10 năm như vậy đối với vật liệu chế tạo dây
đốt cần có yêu cầu cao như sau:
- Bền cơ cao trong điều kiện chịu nhiệt độ cao, dây đốt phải có độ bền về cơ để
có thể chịu được trọng lượng bản thân trong điều kiện nhiệt độ làm việc.
- Điện trở suất lớn, làm tăng điện trở khi cùng kích thước nhờ đó giảm khối lượng dây đốt, làm cho dễ bố trí trang thiết bị và kinh tế hơn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Hệ số nhiệt điện trở nhỏ.
- Các thông số nhưđiện trở suất, hệ số nhiệt điện trở, các thông sốđiện, vật lý ổn
định, ít thay đổi theo nhiệt độ.
- Các kích thước vật lý, ổn định, có một số vật liệu dưới nhiệt độ cao kích thước chảy ra (30- 40)% làm cho công suất thay đổi, lắp đặt khó khăn.
- Dễ gia công, đồng đều, giá thành rẽ.
Để thỏa mãn các yêu cầu trên khó có hợp kim vật liệu nào đáp ứng đầy đủ, nên người ta chọn ra những hợp kim, vật liệu tương đối đáp ứng được phần lớn các yêu cầu ở mức độ tốt. Đó là hợp kim Niken – Crôm (hay còn gọi là NiCrôm), hợp kim Crôm – nhôm, hợp kim Crôm – nhôm- sắt, hợp kim Ni40Cu60.
Các loại dây đốt kim loại tinh khiết ít được dùng như Vonfram, W0, moliphonden M0, tantan Ta tuy có nhiệt độ làm việc rất cao, từ hàng nghìn độ trở lên song trong điều kiện thông thường tiếp xúc với môi trường thì dễ bị oxy hóa, chóng hỏng. Bởi vậy phải làm việc trong môi trường có khí bảo vệ hoặc chân không.
Sau khi phân tích các đặc điểm về dây đốt trên và dựa vào yêu cầu của thiết bị
chế tạo ta chọn dây đốt kiểu kín bằng hợp kim Crôm - Niken bọc ngoài bằng kim loại: Vì nó có màng bảo vệ oxytcrôm (Cr2O3) bảo vệ vững chắc, có cơ lý tốt ở nhiệt độ
trung bình và cao. Loại này dẻo, dễ gia công, dễ hàn, có hệ số nhiệt điện trở nhỏ, già hóa ít,…
c. Tính chọn dây đốt kín.
Để tính chọn dây đốt kín sử dụng trong các thiết bị nung nóng người ta thường dùng phương pháp mật độ công suất truyền tải.
Mật độ công suất truyền tải của dây đốt kín là công suất của tải nhận được từđơn vị diện tích bề mặt của dây đốt.
Tính công suất hữu ích của thiết bị Ph: Là công suất làm biến đổi lượng nhiệt của vật nung để rồi nâng cao nhiệt độ cho vật nung.
Trong đó: + m là khối lượng tấm nung:
m =V.pt =0,18x0,10x0,12x7.85 = 1,69 kg + C là tỷ nhiệt của vật nung nóng: C =0.24 KJ/kgC + là thời gian nung.
+ nhiệt độ nung. + nhiệt độ môi trường.
Công suất thiết bị Ptb :
Giá trị mật độ công suất phụ thuộc vào điều kiện làm việc của dây đốt, vào vật liệu vỏ bọc của dây đốt, vào môi trường nung nóng. Người ta cho mật độ truyền tải của dây đốt kín trong bảng 2.5, khi tính chọn dây đốt theo điều kiện đã biết chọn mật
độ công suất truyền tải, dựa và đó để tính chọn dây đốt.
Bảng 2.5. Mật độ công suất truyền tải của dây đốt kín. Môi trường nung
nóng Đặc điểm và điều kiện nung nóng Vật liệu bọc ngoài của dây đốt kín Mật độ công suất tải cho phép (W/cm2) Nước Nung nóng và tạo hơi Đồng, đồng thau, thép không rỉ 9 – 11 Không khí Nung nóng trong môi trường tĩnh Thép CT 10 - CT20, đồng thau, thép không rỉ 1,2 - 1,8 2,3 – 5,0 Không khí Nung nóng trong môi trường không
khí động
Thép CT10 - CT20, Thép không rỉ
4,5 – 5,0 5,0 – 5,5 Dung dịch Nung nóng trong
thùng Thép không rỉ 1,5 – 2,0 Các loại bếp điện lò điện Dây đốt bọc trong vỏ kim loại Thép CT10 - CT20, 5,0 – 7,0
Theo bảng 2.5, dựa vào điều kiện làm việc là nung nóng trong không khí với thép không gỉ trong môi trường tĩnh ta chọn được mật độ công suất cho phép là 3 W/cm2
Khi cần tăng thời gian sử dụng và đảm bảo an toàn khi dùng liên tục, tải nặng nề
cần giảm mật độ công suất tải cho phép Wcp cho trong bảng đi (30- 40)% nên mật độ
công suất cho phép sẽ bằng 2,1 W/cm2. Bề mặt truyền nhiệt của dây đốt là: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ta có sơđồ nguyên lý cấu tạo của tấm điện trở như hình 2.3 - + 1 2 1. Dây điện trở 2. Vỏ bọc Hình 2.3. Sơđồ nguyên lý của tấm điện trở.
Dựa vào các thông số tính toán trên và yêu cầu của thiết bị ta chọn điện trở tấm như hình 2.4 của công ty TNHH SX- TM và công nghệĐại Phát chế tạo với các thông số phù hợp yêu cầu của thiết bị.
Tên sản phẩm: DAPHACO Kích thước: 180x100x5mm
Vật liệu làm dây đốt: Hợp kim Niken – Crôm
Điện áp vào : 220V
Công suất: 400W
Vỏ bọc: Inox 0,2mm
Hình 2.4. Tấm điện trở.
Tấm điện trở đã chọn đảm bảo được công suất phù hợp với thiết bị, kích thước bằng với tấm ép làm cho nhiệt độ phân bố đều trên tấm ép.Vỏ bọc bằng inox có khả
năng truyền nhiệt tốt.
2.2.3.4. Lựa chọn cảm biến nhiệt và vật liệu cách nhiệt.
a. Lựa chọn cảm biến nhiệt.
Để đảm bảo thiết bị hoạt động đúng nhiệt độ theo yêu cầu ta cần gắn cảm biến nhiệt vào tấm ép để kiểm soát được nhiệt độ làm việc của điện trở.
Đối với các loại cảm biến nhiệt thì có 2 yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác đó là “Nhiệt độ môi trường cần đo” và “Nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”. Điều
đó nghĩa là việc truyền nhiệt từ môi trường vào đầu đo của cảm biến nhiệt tổn thất càng ít thì cảm biến đo càng chính xác. Điều này phụ thuộc lớn vào chất liệu cấu tạo nên phần tử cảm biến.
Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ khác nhau, và việc lựa chọn chúng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: Độ chính xác, khoảng nhiệt, tốc độ phản ứng, môi trường (hóa học, vật lý, hay điện) và giá thành.
Ta có sơđồ nguyên lý cấu tạo của cảm biến nhiệt như hình 2.5 4 - + 1 2 3 1. Đầu cảm biến 2. Bộ cảm biến 3. Núm chỉnh nhiệt độ 4. Tiếp điểm Hình 2.5. Sơđồ nguyên lý cảm biến nhiệt.
Sau khi phân tích ta lựa chọn cảm biến nhiệt Rainbow do Trung Quốc sản suất với dải nhiệt độ từ 30 – 1200C với 3 tiếp điểm (hình 2.6).
Hình 2.6. Cảm biến nhiệt.
Ta chọn loại này bởi vì nó có đầu cảm biến nhỏ, dài có thểđưa vào xâu trong tấm ép đảm bảo đo được nhiệt độ chính xác, có dải công suất thích hợp với yêu cầu của thiết bị và giá thành tương đối hợp lý.
b. Lựa chọn vật liệu cách nhiệt.
Vật liệu cách nhiệt là những vật liệu có hệ số dẫn nhiệt không lớn hơn 0.157 W/m.oC. Ngày nay có nhiều loại vật liệu chuyên cách nhiệt, tuy nhiên do giới hạn về
sẵn có ở phòng thực hành để làm tấm cách nhiệt cho thiết bị. Tại vì sợi thủy tinh có nhiều đặc tính tốt như không đàn hồi hay dãn rộng ra, bền vững không cháy, không mục nát và dẫn điện kém phù hợp với yêu cầu thiết bị. Trên thực tế thì người ta cũng sử dụng sợi thủy tinh để cách nhiệt cho tường vách, ống khói, lò hơi, tủ cách nhiệt,…; Cách âm cho nhà ở, văn phòng, cabin tàu thuyền, nhà hát,…; Cách điện cho dây điện, cáp điện, các thiết bị tải dòng khác,…ở các dạng sợi, chỉ, băng, vải, dây tếthoặc vải có hoặc không được tẩm nhựa tự nhiên, chất dẻo hay nhựa đường.
Hình 2.7 Tấm composte sợi thủy tinh.
2.2.4. Tính chọn thiết bị nén tạo áp lực.
Do yêu cầu và đặc điểm của thiết bị là nhỏ gọn, mang tính thủ công cũng như
kinh phí hạn chế nên ta chọn thiết bị nén bằng trục vít, thông qua một lò xo để điều chỉnh lực phù hợp theo yêu cầu. Đây là phương pháp nén thủ công truyền thống, lợi về lực, tạo ra được áp lực cao, giá thành rẻ, tuổi thọ cao, vận hành và bảo trì dễ
dàng.
2.2.4.1. Các thông số hình học của lo xo xoắn ốc chịu nén.
Lò xo là chi tiết máy có độđàn hồi cao, khối lượng và kích thước nhỏ gọn. Trong (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});