Trong ủời sống và sản xuất, yờu cầu về sử dụng nhiệt năng rất lớn. Trong cỏc ngành cụng nghiệp khỏc nhau, nhiệt năng dựng ủể nung, sấy, nhiệt luyện, nấu chảy cỏc chất… là một yờu cầu khụng thể thiếu. Nguồn nhiệt năng này ủược chuyển từ ủiện năng qua cỏc lũ ủiện là rất phổ biến và thuận tiện.
Từ ủiện năng, cú thể thu ủược nhiệt năng bằng nhiều cỏch: nhờ hiệu ứng Joule (lũ ủiện trở), nhờ phúng ủiện hồ quang (lũ hồ quang), nhờ tỏc dụng nhiệt của dũng xoay chiều Foucalt thụng qua hiện tượng cảm ứng ủiện từ (lũ cảm ứng) .v.v..
I. Trang bị ủiện cỏc loại lũ ủiện I.1. Những vấn ủề chung
Lũ ủiện là thiết bị biến ủổi ủiện năng thành nhiệt năng, dựng trong cụng nghệ nấu chảy vật liệu, công nghệ nung nóng và trong công nghệ nhiệt luyện.
Lũ ủiện ủược sử dụng phổ biến trong nhiều ngành cụng nghiệp, ngành y tế .v.v..
1. ðặc ủiểm của lũ ủiện
- Cú khả năng tạo ra nhiệt ủộ cao do nhiệt năng ủược tập trung trong một thể tớch nhỏ.
- Do nhiệt năng tập trung nờn lũ cú tốc ủộ nung nhanh và năng suất cao.
- ðảm bảo nung ủều, dễ ủiều chỉnh, khống chế nhiệt và chế ủộ nhiệt.
- Lũ ủảm bảo ủược ủộ kớn, cú khả năng nung trong chõn khụng hoặc trong mụi trường cú khớ bảo vệ, vỡ vậy ủộ chỏy tiờu hao kim loại khụng ủỏng kể.
- Cú khả năng cơ khớ húa và tự ủộng húa ở mức cao.
- ðảm bảo ủiều kiện vệ sinh: khụng cú bụi, khụng cú khúi.
2. Cỏc phương phỏp biến ủổi ủiện năng a) Phương phỏp ủiện trở
Phương phỏp ủiện trở dựa trờn ủịnh luật Joule-Lence: khi cho dũng ủiện chạy qua dõy dẫn, thỡ trờn dõy dẫn tỏa ra một nhiệt lượng, nhiệt lượng này ủược tớnh theo biểu thức:
Q = I2Rt [J]
Hỡnh – Nguyờn lý làm việc của lũ ủiện trở a) ðốt nóng trực tiếp
b) ðốt nóng gián tiếp
1. Vật liệu ủược nung núng trực tiếp 2. Cầu dao; 3. Biến ỏp; 4. ðầu cấp ủiện;
5. Dõy ủốt (dõy ủiện trở); Vật liệu ủược nung nóng gián tiếp;
Trong ủú: I – Cường ủộ dũng ủiện chạy qua dõy dẫn (A).
R – ðiện trở dây dẫn, Ω
t – thời gian dũng ủiện chạy qua dõy dẫn, s.
Nguyờn lý làm việc của lũ ủược biểu diễn như trờn hỡnh vẽ.
b) Phương pháp cảm ứng
Phương phỏp cảm ứng dựa trờn ủịnh luật cảm ứng ủiện từ của Faraday: Khi cho dũng ủiện ủi qua cuộn cảm thỡ ủiện năng ủược biến thành năng lượng của từ trường biến thiờn. Khi ủặt khối kim loại vào trong từ trường biến thiờn ủú, trong khối kim loại sẽ xuất hiện dũng ủiện cảm ứng – dũng ủiện xoỏy (Foucault). Nhiệt năng của dũng ủiện xoỏy sẽ nung núng khối kim loại.
Nguyờn lý làm việc của lũ cảm ứng ủược biểu diễn như trờn hỡnh vẽ.
Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng
a) Lò cảm ứng có mạch từ; b) Lò cảm ứng không có mạch từ 1. Vòng cảm ứng; 2. Mạch từ; 3. Nồi lò; 4. Tường lò bằng vật liệu chịu lửa;
c) Phương phỏp hồ quang ủiện
Phương phỏp hồ quang ủiện dựa vào ngọn lửa hồ quang ủiện. Hồ quang ủiện là một trong những hiện tượng phúng ủiện qua chất khớ.
Trong ủiều kiện bỡnh thường thỡ chất khớ khụng dẫn ủiện, nhưng nếu ion húa chất khớ và dưới tỏc dụng của ủiện trường thỡ chất khớ sẽ dẫn ủiện. Khi hai ủiện cực tiếp cận nhau thỡ giữa chỳng xuất hiện ngọn lửa hồ quang. Người ta lợi dụng nhiệt năng của ngọn lửa hồ quang ủể gia nhiệt cho vật nung hoặc nấu chảy kim loại.
Nguyờn lý làm việc của hồ quang ủiện ủược biểu diễn như trờn hỡnh vẽ.
I.2 Lũ ủiện trở
1. Khái niệm chung và phân loại a) Phân loại theo phương pháp tỏa nhiệt
+ Lũ ủiện trở tỏc dụng trực tiếp: Lũ ủiện trở tỏc dụng trực tiếp là lũ ủiện trở mà vật nung ủược nung núng trực tiếp bằng dũng ủiện chạy qua nú. ðặc ủiểm của lũ này là tốc ủộ nung nhanh, cấu trỳc của lũ ủơn giản. ðể ủảm bảo nung ủều thỡ vật nung phải cú tiết diện như nhau theo suốt chiều dài của nó.
+ Lũ ủiện trở tỏc dụng giỏn tiếp: Là lũ ủiện trở mà nhiệt năng tỏa ra ở dõy ủiện trở (dõy ủốt), rồi dõy ủốt sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, ủối lưu hoặc dẫn nhiệt.
b) Phõn loại theo nhiệt ủộ làm việc
+ Lũ nhiệt ủộ thấp: Nhiệt ủộ làm việc của lũ dưới 650oC.
+ Lũ nhiệt ủộ trung bỡnh: Nhiệt ủộ làm việc của lũ từ 650oC ủến 1200oC.
+ Lũ nhiệt ủộ cao: Nhiệt ủộ làm việc của lũ lớn hơn 1200oC.
2. Yờu cầu ủối với vật liệu làm dõy ủiện trở
Dõy ủiện trở ủược ủặt trong buồng lũ hoặc buồng phỏt nhiệt, chỳng làm việc ở mụi trường nhiệt ủộ cao, vỡ vậy vật liệu làm dõy ủiện trở cần thỏa món cỏc yờu cầu sau:
a) Khả năng chịu ủược nhiệt ủộ cao, khụng bị oxy húa trong mụi trường khụng khớ nhiệt ủộ cao.
b) ðộ bền núng cao, ủộ bền cơ học lớn.
c) ðiện trở suất cao.
d) Hệ số nhiệt ủiện trở bộ.
3. Vật liệu làm dõy ủiện trở a) Dõy ủiện trở bằng hợp kim
+ Hợp kim Crụm-Niken (Nicrụm). Hợp kim này cú ủộ bền nhiệt cao vỡ cú lớp màng Oxit Crụm (Cr2O3) bảo vệ, dẻo, dễ gia cụng, ủiện trở suất lớn, hệ số nhiệt ủiện trở bộ.
+ Hợp kim Crụm-Nhụm (Fexran) cú cỏc ủặc ủiểm như hợp kim Nicrụm nhưng cú nhược ủiểm là giũn, khú gia cụng, ủộ bền cơ học kộm trong mụi trường nhiệt ủộ cao.
b) Dõy ủiện trở bằng kim loại
Thường dựng những kim loại cú nhiệt ủộ núng chảy cao: Molipden (Mo), Tantan (Ta) và Wonfram (W) dựng cho cỏc lũ ủiện trở chõn khụng hoặc lũ ủiện trở cú khớ bảo vệ.
c) ðiện trở nung nóng bằng vật liệu kim loại
+ Vật liệu Cacbuarun (SiC) chịu ủược nhiệt ủộ cao tới 1450oC, thường dựng cho lũ ủiện trở cú nhiệt ủộ làm việc cao, dựng ủể tụi dụng cụ cắt gọt.
+ Cripton là hỗn hợp của graphit, cacbuarun và ủất sột, chỳng ủược chế tạo dưới dạng hạt cú ủường kớnh 2-3mm, thường dựng cho lũ ủiện trở trong phũng thớ nghiệm yờu cầu nhiệt ủộ làm việc tới 1800oC.
4. Cỏc loại lũ ủiện trở thụng dụng
Theo chế ủộ nung, lũ ủiện trở ủược chia thành hai nhúm chớnh:
a) Lò nung nóng theo chu kỳ Bao gồm
+ Lũ buồng (hỡnh a) thường dựng ủể nhiệt luyện kim loại (thường húa, ủ, thấm than, …) Lũ buồng ủược chế tạo với cụng suất từ 15kW ủến 75kW, nhiệt ủộ làm việc tới 950oC. Lũ buồng dựng ủể tụi dao cụ cú nhiệt ủộ làm việc tới 1350oC, dựng dõy ủiện trở bằng cỏc thanh nung cacbuarun.
+ Lũ giếng thường dựng ủể tụi kim loại và nhiệt luyện kim loại (hỡnh b). Buồng lũ cú dạng hỡnh trụ trũn ủược chụn sõu trong lũng ủất cú nắp ủậy. Lũ giếng ủược chế tạo với cụng suất từ 30 ủến 75kW.
+ Lũ ủẩy (hỡnh c) cú buồng kớch thước chữ nhật dài. Cỏc chi tiết cần nung ủược ủặt lờn giỏ và tụi theo từng mẻ. Giỏ ủỡ chi tiết ủược ủưa vào buồng lũ theo ủường ray bằng một bộ ủẩy dùng kích thủy lực hoặc kích khí nén.
b) Lò nung nóng liên tục
+ Lũ băng: Buồng lũ cú tiết diện chữ nhật dài, cú băng tải chuyển chuyển ủộng liờn tục trong buồng lũ. Chi tiết cần gia nhiệt ủược sắp xếp trờn băng tải. Lũ băng thường ủược dựng ủể sấy chai, lọ trong công nghiệp chế biến thực phẩm.
+ Lũ quay thường dựng ủể nhiệt luyện cỏc chi tiết cú kớch thước nhỏ (bi, con lăn, vũng bi), cỏc chi tiết cần gia nhiệt ủược bỏ trong thựng, trong quỏ trỡnh nung núng, thựng quay liờn tục nhờ một hệ thống truyền ủộng ủiện.
5. Khống chế và ổn ủịnh nhiệt ủộ lũ ủiện a) ðặt vấn ủề
Theo ủịnh luật Joule-Lence
Q = 0,238.I2.R.t [cal]
Trong ủú: Q – Nhiệt lượng tỏa ra của dõy ủiện trở, cal;
I – Dũng ủiện ủi qua dõy ủiện trở, A;
R – ðiện trở của dõy ủiện trở, Ω;
t – Thời gian dũng ủiện ủi qua dõy ủiện trở (thời gian nung núng), s.
Thời gian nung núng chi tiết ủến nhiệt ủộ yờu cầu:
a t t C
t G. (1− 2)
= [s]
t1 – Nhiệt ủộ yờu cầu, oC;
t2 – Nhiệt ủộ mụi trường, oC;
C – Nhiệt dung trung bình của chi tiết cần nung;
a – Tốc ủộ tỏa nhiệt của chi tiết cú ủộ dài 100mm, kcal/s;
Cụng suất ủiện cần cung cấp cho chi tiết nung cú ủộ dài l mm là:
100 . . 18 , 4
2
a
P = l [kW]
Cụng suất tiờu thụ của lũ ủiện trở:
ϕ η.cos
2 1
P = P [kW]
Trong ủú: η - Hiệu suất của lũ (η = 0,7 ữ 0,75);
cosϕ - Hệ số công suất của lò (cosϕ = 0,8 ÷ 0,85);
Từ cỏc biểu thức trờn cú thể rỳt ra rằng: ðể ủiều chỉnh nhiệt ủộ lũ ủiện trở cú thể thực hiện bằng cỏch ủiều chỉnh cụng suất cấp cho lũ.
ðiều chỉnh cụng suất cấp cho lũ ủiện trở cú thể thực hiện bằng cỏc phương phỏp sau:
- Hạn chế cụng suất cấp cho dõy ủiện trở bằng cỏch ủấu thờm ủiện trở phụ.
- Dựng biến ỏp tự ngẫu hoặc biến ỏp cú nhiều ủầu dõy sơ cấp ủể cấp ủiện cho lũ ủiện trở.
- Thay ủổi sơ ủồủấu dõy của dõy ủiện trở (từ tam giỏc sang sao, hoặc nối tiếp sang song song).
- đóng cắt nguồn cấp cho dây ựiện trở theo chu kỳ.
- Dựng bộủiều ỏp xoay chiều ủể thay ủổi trị sốủiện ỏp cấp cho dõy ủiện trở.
Sơủồ khối chức năng của hệ thống ủiều chỉnh và ổn ủịnh nhiệt ủộ cú thể biểu diễn như trên hình vẽ:
Trong ủú vai trũ của cỏc khõu như sau:
- Lũ ủiện trở 3 là ủối tượng ủiều chỉnh và tham sốủiều khiển là nhiệt ủộ của lũ (to).
- Bộ ủiều chỉnh và ổn ủịnh nhiệt ủộ 2 thay ủổi cỏc thụng số nguồn cấp ủiện cho lũ ủiện trở theo cỏc thuật toỏn nhằm tối ưu húa việc ủiều chỉnh và ổn ủịnh nhiệt ủộ lũ.
- Bộ tổng hợp tớn hiệu ủiều khiển 1 (ε = toủặt – toph).
- Cảm biến nhiệt ủộ 4, cú chức năng biến ủổi tớn hiệu ủiện tỷ lệ với nhiệt ủộ của lũ.
ðể nõng cao ủộ chớnh xỏc khi khống chế và ổn ủịnh nhiệt ủộ của lũ ủiện trở, hệ thống ủiều chỉnh nhiệt ủộ lũ ủiện trở là hệ thống kớn (cú mạch vũng phản hồi).
Việc ủiều chỉnh và ổn ủịnh nhiệt ủộ của lũ ủược thực hiện thụng qua việc thay ủổi cỏc thụng số nguồn cấp ủiện cho lũ. Như vậy tớn hiệu phản hồi tỷ lệ với nhiệt ủộ của lũ phải là tớn hiệu ủiện, chớnh cảm biến nhiệt ủộ sẽ thực hiện chức năng ủú trong hệ thống khống chế và ổn ủịnh nhiệt ủộ lũ ủiện trở.