v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
1.4.1 Cơ sở lý thuyết của việc đốt nóng bằng điện cao tần
Khi đặt một khối kim loại nhiễm từ như sắt, thép (vật nung) vào trong một từ trường biến thiên thì trong vật nung sẽ xuất hiện (cảm ứng) các dòng điện xoáy (dòng Foucault) đốt nóng vật nung.
Mạch cảm ứng được cấu tạo dựa trên nguyên lý của một máy biến áp, cuộn cảm ứng được chế tạo bằng đồng theo dạng xoắn ốc bọc xung quanh vật nung. Cuộn cảm ứng được coi như là cuộn sơ cấp, vật nung được coi như là cuộn thứ cấp máy biến áp. Khi ta cho dòng điện xoay chiều đi qua cuộn cảm ứng thì sẽ sinh ra từ thông biến thiên. Từ thông này khép kín qua vật nung, sản sinh ra một sức điện động cảm ứng E2 trong vật nung. Vật nung ở đây coi như là một dây dẫn, khép kín và thẳng góc với từ thông biến thiên nên xuất hiện một dòng điện cảm ứng nung nóng vật nung.
Như vậy khi lò làm việc thì xuất hiện hai sức điện động cảm ứng trong cuộn cảm ứng E1 và trong vật nung E2.
Giá trị E1 và E2 được tính theo công thức [46]:
E1 = 4, 44. ΔΦ.f.n1.10-8 V (1.1) E2 = 4, 44. ΔΦ.f.n2.10-8 V. (1.2) Trong đó:
ΔΦ: biến thiênt ừ thông, Wb f: tấn số làm việc, Hz
n1: số vòng của cuộn cảm ứng (sơ cấp);
n2: số vòng cảm ứng của cuộn thứ cấp (vật nung là một khối thống nhất nên có n2 =1);
Mức độ cảm ứng.
Mức độ cảm ứng của vật nung là khác nhau tùy thuộc vào vị trí, tính chất của kim loại vật nung và tần số dòng điện. Mật độ dòng cảm ứng ở kim loại vật nung tại một điểm bất kỳ được xác định từ công thức sau [46]:
9 2 10 0 kl z f z e − − = (1.3) Trong đó:
, 0 tương ứng là mật độ dòng cảm ứng tại hoành độ z và 0;
kl
: độ từ thẩm của kim loại
: điện trở suất của kim loại trong lò; (Ω.mm2/m) f: tần số làm việc, (Hz).
Phương pháp tạo ra nguồn điện cao tần
- Dùng máy phát điện tần số cao: Dựa vào nguyên lý, tần số dòng điện phụ thuộc vào số cặp cực và số vòng quay theo công thức: . ( z)
60
n p
f = H trong đó, n là tốc độ quay của rô tô (vòng/phút), p là số cặp cực. Như vậy để tạo ra dòng điện có
21
tần số cao ta dùng máy phát đồng bộ cực lồi số cặp cực lớn và số vòng quay rotor cao;
- Đèn phát tần số: Thường là đèn 3 cực chân không. Tần số từ vài chục đến hàng trăm MHz.
- Dùng mạch nghịch lưu thyristor chuyển dòng điện 1 chiều thành dòng cao tần với tần số yêu cầu.
1.4.2 Sấy nóng BXT bằng dòng điện cao tần
Nguyên lý đốt nóng vật nung bằng dòng điện cao tần có thể được sử dụng để sấy nóng BXT với một số chú ý sau:
- Lõi BXT được sấy nóng phải được chế tạo từ vật liệu có khả năng nhiễm từ như sắt và thép.
- Sử dụng 1 mạch nghịch lưu (mạch biến tần) để chuyển đổi dòng điện 1 chiều 12V thành dòng xoay chiều có tần số cao.
- Dòng cao tần được lựa chọn với tần số sao cho đảm bảo sấy nóng toàn bộ lõi BXT (vật nung). Như vậy, sử dụng dòng trung tần có tần số f=1.000 - 10.000Hz là thích hợp [46].
Hình 1.8 thể hiện sơ đồ bố trí BXT trên ống thải xe máy và hệ thống sấy nóng bằng năng lượng điện cao tần. Dòng điện 1 chiều từ acquy 1 được biến đổi thành dòng điện xoay chiều tần số cao nhờ mạch biến tần 2 rồi đi qua các vòng dây 3 quấn quanh lõi BXT 4 có kết cấu kiểu lá thép phủ chất xúc tác. Từ trường cao tần sẽ tạo ra trên các lá thép của lõi BXT dòng điện cảm ứng (dòng xoáy) nhờ tác dụng của từ thông biến thiên. Dòng điện này sẽ đốt nóng trực tiếp các lá thép nên quá trình đốt nóng rất nhanh do nhiệt sinh ra trực tiếp trên các lá thép mà không phải do truyền nhiệt từ ngoài vào.
Hình 1.8 Sơ đồ ống thải lắp BXT
(a) với hệ thống sấy nóng (b) sơ đồ quấn dây quanh BXT
1- Acquy 12V; 2- Mạch biến tần; 3- Các vòng dây cảm ứng; 4- BXT; 5- Ống thải
Sơ đồ khái quát của mạch biến tần để biến đổi dòng điện 1 chiều từ acquy 12V thành dòng điện xoay chiều tần số cao được thể hiện trong hình 1.9.
Lốn g LBX T 1 2 3 4 5 (a) 3 4 (b)
22
Hình 1.9 Sơ đồ mạch biến tần, biến dòng 1 chiều thành dòng xoay chiều tần số cao
Trong đó:
V1: Nguồn điện một chiều 12V, 10A R3, R6: Phân áp cho cực G của FET M1 R4, R5: Phân áp cho cực G của FET M2 D1: Ổn định điện áp trên cực G của FET M2 D2: Ổn định điện áp trên cực G của FET M1 D3: Chống hồi tiếp, bảo vệ ngược cho M1 D4: Chống hồi tiếp, bảo vệ ngược cho M2 C1, L1, L2: Tạo dao động xoay chiều tần số cao Choke: Cuộn dây gia nhiệt.
Nguyên lý hoạt động của mạch biến tần: Khi cấp vào nguồn điện một chiều, Transitor M1, M2 mở luân phiên tạo ra dao động xoay chiều với tần số:
1 2
f LC
= Hz. (1.4)
Dao động này chạy qua cuộn dây gia nhiệt, từ đây tạo ra từ trường biến thiên trong lõi cuộn dây. Khi đặt lõi BXT bằng vật liệu nhiễm từ vào trong lõi của cuộn dây, nó tạo nên mạch thứ cấp ngắn mạch. Do tác động của từ trường được tạo ra bởi cuộn dây, các phân tử của vật thể dao động sinh ra ma sát, từ đó sinh ra nhiệt trong vật thể.
Leahey và cộng sự [47] đã áp dụng phương pháp sấy nóng bằng dòng điện cao tần theo nguyên lý trên để sấy nóng nhanh BXT lõi lá thép trên xe ô tô hạng nhẹ Peugeot 308 chạy dầu diesel trong quá trình khởi động lạnh và chạy ấm máy. Tác giả đã chỉ ra rằng nhờ quá trình sấy nóng trực tiếp BXT từ dòng điện cao tần đã rút ngắn được thời gian trễ hoạt động của BXT. Kết quả là tăng được hiệu quả xử lý xúc tác ở giai đoạn khởi động lạnh và chạy ấm máy và giảm phát thải độc hại ở giai đoạn này và do đó giảm phát thải độc hại của động cơ cho cả chu trình thử. Tuy nhiên, nghiên cứu của nhóm tác giả chưa chỉ rõ được diễn biến thay đổi nhiệt độ của lõi BXT trong quá trình sấy nên khó phân tích để đưa ra được chiến lược sấy tối
23
ưu bằng dòng điện cao tần để đạt hiệu quả xúc tác cao nhất với tiêu hao năng lượng điện thấp nhất.
Do hiệu quả cao của việc sấy nóng BXT bằng năng lượng cao tần nên công nghệ này cũng đã được nghiên cứu áp dụng để sấy nóng các BXT lõi bằng Ceramic. Để thực hiện được điều này, đã có nhiều sáng chế đúc lõi BXT bằng Ceramic trộn với hạt kim loại [48] như chỉ ra trên hình 1.10. Trong từ trường biến thiên cao tần, các hạt kim loại bị đốt nóng do cảm ứng điện từ sẽ truyền nhiệt sấy nóng lõi BXT ceramic.
Hình 1.10 Lõi BXT bằng Ceramic trộn hạt kim loại sử dụng sấy nóng bằng dòng cao tần
So với việc sấy nóng BXT bằng điện dùng dây điện trở có thể thấy việc sấy nóng trực tiếp BXT bằng dòng điện cao tần vừa có tác dụng sấy nóng nhanh lại giảm được mất mát năng lượng cho khí thải truyền ra ngoài. Do đó có thể giảm công suất của bộ sấy nóng, và không cần yêu cầu cao về dung lượng ắc quy và máy phát mạnh như hệ thống sấy nóng bằng dây điện trở. Đây là điểm rất thuận lợi cho việc trang bị BXT sấy nóng bằng dòng điện cao tần cho động cơ xe máy.