Bài giảng Kỹ thuật điện nhiệt - Nguyễn Đình Thiên

99 trang ngocly 600

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật điện nhiệt - Nguyễn Đình Thiên", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_ky_thuat_dien_nhiet_nguyen_dinh_thien.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật điện nhiệt - Nguyễn Đình Thiên

Nguyễn Đình Thiên - Nguyễn Trung Sơn BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN NHIỆT Dùng cho sinh viên ngành THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ HÀ NỘI - 2006 1
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 = I2Rτ Trong đó: Q- nhiệt lượng toả ra khi có dòng điện I chạy qua dây đốt có điện trở R trong thời gian τ , về đơn vị : I(A), R(Ω), τ (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
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 điện 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. VËt ®uîc Nguån nung ¸p siªu cao tÇn M¸ tô ®iÖn Hình 1 5. Phương pháp điện tử Năng lượng điện biến thành nhiệt do sự va chạm của dòng điện tử được gia tốc cao trong trường điện với những vật gia công ( vật nung nóng) 3
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 510W/cm× 82K tức hàng 1000 lần lớn hơn trong lò hồ quang. Phương pháp này được thực hiện trong thiết bị súng điện tử, 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. 3 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. 4
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 μm 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. 5
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 6
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 7
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 nóng thông qua các phương trình nhiệt sau đây: §1. Phương trình cân bằng nhiệt của vật nung nóng Để đơn giản xét trường hợp vật nung đồng chất đẳng nhiệt, coi các thông số vật lý ngoài nhiệt độ ra đều không thay đổi. Lúc đó phương trình cân bằng nhiệt theo thời gian 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 trong vật nung dQ3 - lượng nhiệt bị mất ra xung quanh Các thành phần trên được xác định như sau: = τ dQ1 Pd Trong đó: P – công suất đưa tới vật để nung nóng = dQ2 mcdt τ - thời gian m- khối lượng của vật nung nóng c- tỷ nhiệt của vật nung nóng dt- sự thay đổi nhiệt độ của vật nung sau thời gian dτ =−()τ dQ30 KF t t d K- hệ số truyền nhiệt từ vật nung vào môi trường xung quanh. F - diện tích của bề mặt truyền nhiệt của vật nung nóng. t- nhiệt độ nung nóng t0- nhiệt độ môi trường xung quanh Thay vào phưong trình (1) ta có: ττ=+() − PdmcdtKFttd0 (2) Phương trình (2) còn được gọi là phương trình truyền tải công suất. Chia cả hai vế cho KFdτ được mc dt P .()0+−tt + = KFdτ 0 KF 8
mc Đặt =−T hằng số thời gian KF P dt tt+=−nhiệt độ ổn định của vật khi = 0 0 KF y dτ Có phương trình: dt →+−=Ttt0 (3) dτ y Biểu thức (3) phương trình cân bằng nhiệt của vật nung nóng §2 . Phương trình nhiệt độ nung nóng Giải phương trình (3) với điều kiện khi τ = 0 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: ττ −− =+−T T tte® .(1) ty e (4) T- hằng số thời gian nung nóng Biểu diễn đường nhiệt độ nung nóng trên đồ thị hình 1. t T ty 1 2 t® t0 Hình 1. 1- Phương trình nhiệt độ nung nóng 2- Phương trình nhiệt độ làm nguội Đường nung nóng bắt đầu từ nhiệt độ đầu tđ khi τ = 0 . Về lý thuyết để đạt nhiệt độ ổn định ty thì cần thời gianτ ≈∞. Thực tế khi thời gian τ =÷() =÷() 34T thì bắt đầu có nhiệt độ tt0,95 0,98 y §3. Phương trình nhiệt độ làm nguội Từ phương trình nhiệt độ nung nóng (4) khi đặt tđ = ty , ty = t0 - nhiệt độ môi trường, sẽ có phương trình nhiệt độ làm nguội như sau: Nhờ có phương trình: 9
ττ −− =+−T T ttey .(1) t0 e (5) T’ là hằng số thời gian làm nguội Theo (5) để có t = t0 thì cần có thời gian τ ≈∞ nhưng thực tế ' τ =÷()58T thì sẽ có t = t0 §4. Phương trình tốc độ nung nóng Một trong những đặc trưng của quá nung nóng là tốc độ nung nóng. Trong luyện kim, gia công chi tiết máy, trong kỹ thuật sấy tốc độ nung nóng có ý nghĩa quan trọng , nó ảnh hưởng đến chất lượng và năng suất của quá trình. Ví dụ, trong kỹ thuật sấy nếu lúc đầu chọn tốc độ nung nóng quá cao không hợp lý thì lớp ngoài của sản phẩm khô nhanh tạo lớp bọc không cho nước bốc hơi từ phía trong làm cho sản phẩm kém chất lượng. Biểu thức phương trình tốc độ nung nóng tìm được từ phương trình dt nhiệt độ nung nóng bằng cách lấy đạo hàm của t theo thời gian τ : dτ được biểu thức τ dt tt− − = y ® .e T (6) dτ T - Tốc độ nung nóng cực đại: từ phương trình (6) thấy rằng tốc độ nung dt nóng cực đại ()đạt được ở thời điểm τ = 0 , tức thời điểm đầu: dτ max dt tt− ()= y ® dτ max T Ở thời điểm đầu chưa có tổn hao nên đường tăng nhiệt gần như là đường thẳng. §6. Thời gian nung nóng τ ττ −− =+−T T Từ phương trình nhiệt độ nung nóng tte® .(1) ty e tt− xác định được thời gian nung nóng τ là τ = T ln y ® (7) − tty Theo biểu thức (7) sẽ tìm được thời gian nung nóng τ tới bất kỳ nhiệt độ nào t trong khoảng từ tđ tới ty. Trong thực tế khi xác định được hằng số thời gian T, sẽ tìm được thời gian nung nóng theo kinh nghiệm : τ =÷()34T §5. Hằng số thời gian T 10
Hằng số thời gian nung nóng T là thông số quan trọng, về giá trị có mc T = - bằng tỷ số giữa tỷ nhiệt và mức độ trao đổi nhiệt của vât. Đó KF là thời gian để vật đạt tới giá trị nhiệt độ ổn định khi ở chế độ nung nóng không có toả nhiệt ra môi trường, có thể xác định được T theo phương pháp đồ thị ở hình 1. Hằng số thời gian T không phụ thuộc vào công suất đưa tới vật mà chỉ phụ thuộc vào điều kiện toả nhiệt. CHƯƠNG III. TÍNH CÔNG SUẤT THIẾT BỊ ĐIỆN NHIỆT VÀ TÍNH CÁCH NHIỆT §1. Công suất hữu ích Công suất hữu ích Ph là công suất làm biến đổi lượng nhiệt của vật nung để rồi nâng cao nhiệt độ cho vật nung. Dựa vào phương trinh truyền tải công suất đã đưa ra ở trên: ττ=+() − PdmcdtKFttd0 Chia cho dτ có dt P =+−mc KF() t t dτ 0 Trong đó: P- công suất đưa vào để nung nóng vật nung và một phần tổn hao ra xung quanh và nung nóng thiết bị. m- khối lượng của vật nung nóng c- tỷ nhiệt của vật nung nóng K- hệ số truyền nhiệt ra xung quanh F- bề mặt truyền nhiệt ra xung quanh τ - thời gian nung t- nhiệt độ nung t0- nhiệt độ môi trường Để đơn giản cho tính toán có thể coi phần tổn hao bằng 0. Toàn bộ nhiệt lượng đưa vào đều để nung nóng vật tức đều biến thành công suất hữu ích, ta có: dt P ==Pmc h dτ dt Thành phần ở thời điểm đầu τ = 0 là tốc độ nung cực đại dτ − ⎛⎞dt tty ® = trong đó coi ⎜⎟τ ⎝⎠dTτ =0 11
ty = t - nhiệt độ nung nóng tđ = t0 - nhiệt độ môi trường T =τ - thời gian nung nóng Có biểu thức sau: mc() t− t →=P 0 (1) h τ Biểu thức (1) tính công suất Ph của vật 0 0 Trong đó lấy đơn vị theo: m (kg), c( J/ C kg); t, t0 ( C); τ ()s thì Ph(W) §2. Công suất tính toán (Ptt ) Công suất tính toán Ptt có tính tới thành phần công suất tổn hao ra xung quanh và tổn hao để nâng nhiệt độ của thiết bị, ta có: =+Δ PttPP h th Δ Pth công suất tổn hao gồm hai thành phần: Δ + Pmt - tổn hao ra môi trường xung quanh Δ + Ptb - tổn hao nâng nhiệt độ thiết bị §3. Công suất thiết bị Ptb Công suất thiết bị Ptb dùng để tính toán thiết kế là công suất Ptt và có thêm hệ số dự phòng KZ Ptb = KZ. Ptt (3) =÷ KZ - thường chọn KZ 1,10 1,15 Trong thực tế có thể đơn giản, theo kinh nghiệm chọn Ptb theo công suất hữu ích Ph như sau; Ptb = 1,2 .Ph (4) §4. Tính công suất của một số quá trình nung nóng Đưa ra một số biểu thức để tính công suất hữu ích trong một số quá trình sau đây: 1. Nung nóng có thời gian τ mc() t− t →=P 0 (5) h τ 0 0 Với: m (kg), c ( J/ C kg), t, t0 ( C ), τ ()s , Ph (W) 12
2. Nung nóng liên tục Ph = mc (t – t0 ) (6) 3. Nung nóng nóng chảy với thời gian τ mc()() t−+ t a →=P 0 (7) h τ 0 0 Với: m (kg) , c ( J/ C kg), t, t0 ( C ), τ ()s , Ph (W) a ( J / kg): nhiệt lượng để giữ khối lượng m của vật ở trang thái nóng chảy trong thời gian τ 4. Nung nóng chảy liên tục Ph = m (c (t – t0 ) + a ) (8) 5. Nung nóng không khí gặp trong thiết bị sấy bằng không khí nóng. =−ρ () Ph Actt. 0 (9) Trong đó: A ( m3/s) năng suất không khí ρ ( kg/m3) trọng lượng riêng của không khí c ( J/0C kg)- tỷ nhiệt của không khí 0 t, t0 ( C) - nhiệt độ nung nóng và nhiệt độ môi trường Ph (W) 3 0 Với không khí có ckhông khí = 1,1.10 J/kg C ρ = 3 kh«ng khÝ 1, 293kg / m § 5. Tính hiệu suất của thiết bị Hiệu suất thiết bị tính theo biểu thức: P η = h Ptt Trong đó: Ph – công suất hữu ích Ptt – công suất tính toán , viết được: =+Δ+Δ PttPP h mt P tb Δ Pmt - công suất tổn hao ra môi trường Δ Ptb - công suất tổn hao đển nung nóng thiết bị 13
ΔΔ Cả Pmtvµ P tb đều tính được bằng các công thức đã dẫn ở phần trên. Hiệu suất của thiết bị điện nhiệt trong thực tế khoảng η =÷0,5 0,99 Có bảng hiệu suất của một số thiết bị: Loại thiết bị Hiệu suất 1 Thiết bị nung nóng nước 0,85 ÷ 0,95 2 Thiết bị tạo hơi nứoc và nung nóng nước ở nhiệt độ 0,78 ÷ 0,96 cao 3 Thiết bị sấy bằng không khí 0,85 ÷ 0,99 4 Lò điện trở 0,70 ÷ 0,90 5 Thiết bị hàn 0,50 ÷ 0,95 6 Thiết bị điện nhiệt tần sô cao 0,80 ÷ 0,90 7 Thiết bị điện nhiệt dân dụng 0,60 ÷ 0,80 §6. Tính cách nhiệt cho thiết bị điện nhiệt Cách nhiệt làm giảm tổn hao năng lượng ra xung quanh, giảm chi phí cho sản xuất. Chọn các loại cách nhiệt tuỳ thuộc vào từng loại thiết bị, vào chế độ nhiệt, vào môi trường xung quanh nơi làm việc là ẩm, kho , điều kiện vệ sinh môi trường, cách nhiệt phải có được độ bền cơ, chịu nhiệt Để đạt yêu cầu trên trong một số trường hợp phải dùng nhiều lớp cách nhiệt. Lớp tiếp xúc trực tiếp với vùng nhiệt độ cao được chọn từ vật liệu chịu nhiệt cao. Ví dụ: gạch chịu lửa, amiăng Lớp tiếp theo sử dụng loại cách nhiệt tốt nhưng chịu nhiệt kém hơn. Ví dụ : bông sợi thuỷ tinh, gỗ đã xử lý Trong môi trường ẩm, chọn vật liệu cách nhiệt phải sao cho không bị ẩm, nếu không sẽ làm lớp cách nhiệt trở thành dẫn nhiệt. Sau khi đã tính chọn được hình thức thực hiện cách nhiệt, cần tính độ dày tối ưu. Tăng độ dày cách nhiệt làm giảm tổn hao năng lượng, nhưng lại tăng chi phí và kích thước thiết bị. Như vậy phải tính được độ dày tối ưu theo bài toán kết hợp giữa một số đại lượng tham gia. Ở đây đưa ra một phương pháp tính cách nhiệt như sau: Ta lập quan hệ giữa chi phí liên quan tới cách nhiệt với độ dày cách nhiệt, từ đó tìm được độ dày tối ưu cách nhiệt. Cụ thể như sau: Tiền chi phí liên quan tới cách nhiệt bao gồm: 2 Iđ – tiền chi phí cho tổn hao năng lượng điện. Ở đây tính cho 1m diện tích bề mặt lớp cách nhiệt trong một năm và có đơn vị (đ/m2 năm) 14
PaKi- tiền chi phí cho thực hiện cách nhiệt ( tức vốn đầu tư để thực hiện cách nhiệt trong đó khi tính có tính tới khấu hao hàng năm, có đơn vị tính (đ/ m2 năm) 2 Ki- tiền chi phí cho thực hiện cách nhiệt, tính cho 1 m diện tích bề mặt lớp cách nhiệt (đ/m2) Pa- hệ số khấu hao lớp cách nhiệt tính cho từng năm. δ Các chi phí Iđ và PaKi đều phụ thuộc vào độ dày cách nhiệt ký hiệu: i . Gọi Z là tổng chi phí tính cho 1 m2 diện tích cách nhiệt trong một năm, có quan hệ sau: =+ Z IPK® ai (1) Z (đ/ m2 năm) Các thành phần ở (1) có thể tính gần đúng như sau: =Δ τ −3 IPC®® 10 (2) Trong đó: Δ ⎛⎞W 2 P⎜⎟2 - công suất tổn hao ra xung quanh trên 1 m ⎝⎠m ⎛⎞® C® ⎜⎟ giá tiền điện ⎝⎠KWh τ ⎛⎞h ® ⎜⎟ thời gian sử dụng thiết bị trong một năm ⎝⎠n¨m Có thể tính tổn hao ΔP theo biểu thức: Δ=P Kt. Δ (3) Trong đó: K- hệ số truyền nhiệt từ nơi được nung qua cách nhiệt ra xung quanh, có đơn vị (W/ m2 0C ) Δ= − ttt0 - độ chênh lệch nhiệt độ = δ KiiiC . (4) Trong đó: 1 q δ i (m) bề dày cách nhiệt ⎛⎞® 3 Ci ⎜⎟3 giá tiền vật liệu cách nhiệt tính theo m ⎝⎠m Cuối cùng ta có biểu thức sau: =Δτδ−3 + Z KtC® .10 Pai C i (5) Sự quan hệ giữa các đại lượng trong biểu thức (5) đều có sự phụ thuộc δ vào độ dày cách nhiệt i . Dựng đồ thị như hình 1 tìm được điểm A- đây δ là điểm tối ưu để tính chọn bề dày cách nhiệt tối ưu là it − 15
Z Z Ki A Ia 0 itu i Hình 1 Ví dụ: Tính cách nhiệt cho thiết bị Dựa vào quan hệ đưa ra ở biểu thức (5) tính cách nhiệt cho thiết bị có vỏ gồm 3 lớp, cách nhiệt dạng tấm phẳng, lớp cách nhiệt được kẹp giữa hai tám kim loại, được biểu diễn như hình 2. 1 2 i c c 2 2 Hình 2 Sự truyền nhiệt từ vùng nóng ra xung quanh được đặt trưng bằng hệ số truyền nhiệt chung là K. Theo tài liệu kỹ thuật nhiệt tính hệ số K trong trường hợp này theo biểu thức sau: = 1 K δδ (6) 11+++ci αα λλ 12ci αα Trong đó: 12, hệ số truyền nhiệt từ vùng nung phía trong tới vỏ kim loại phía trong và từ vỏ kim loại phía ngoài tới môi trường xung quanh, có đơn vị : (W/ m2 0C) λ 0 i - hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt W/ m C λ 0 c - hệ số dẫn nhiệt của vỏ kim loại W/ m C 16
δ i - độ dày của cách nhiệt, m δ c - độ dày của vỏ kim loại Thay K vào biểu thức (5) có: ΔtC τ .10−3 Z =+® PCδ (7) δδ ai i 11+++ci αα λλ 12ci δ Để tìm độ dày cách nhiệt tối ưu thực hiện lấy đạo hàm Z theo i và cho dZ bằng 0: = 0 tìm được giá trị tối ưu của độ dày cách nhiệt δ như δ it − d i sau: ΔtC τλ .10−3 ⎛⎞11 δ δλ=−++® ic (8) it− ⎜⎟αα λ i PCai⎝⎠12 c δ Khi thay ti− vào biểu thức (7) tìm được chi phí nhỏ nhất: − ⎛⎞11δ Z =Δ2.Pt .τλ . CC . .10 3 −++c PC λ (9) aii® ⎜⎟ααλ aii ⎝⎠12c CHƯƠNG IV. PHƯƠNG TRÌNH NUNG NÓNG BẰNG ĐIỆN TRỞ Phương pháp nung nóng bằng điên trở còn gọi là phương pháp điện trở có nội dung như sau: khi cho dòng điện có trị số I qua dây đốt ( dây nung nóng ) có điện trở R, sau thời gian τ thì dây đốt toả ra nhiệt lượng Q tỷ lệ với R theo biểu thức: QIR= 2 τ I (A), R()()()Ω ,,τ sQJ trong đó J = 0,24 cal Đây là phương pháp biến điện năng thành nhiệt đơn giản, đáp ứng được cho thiết bị có nhiệt độ thấp, trung bình và cao. Nhờ tính đơn giản cho nên thiết bị loại này phổ biến và dẻ tiền được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và trong sinh hoạt. §1. Phân loại phương pháp điện trở: có thể phân thành 1. Phương pháp điện trở gián tiếp Theo phương pháp này, dòng điện qua dây đốt có điện trở R, nhiệt năng toả ra trên dây đốt sẽ nung nóng vật. Ưu điểm của phương pháp này gián tiếp là cách biến đổi năng lượng điện vào nhiệt năng đơn giản nên phổ biến, dẻ tiền. Có thể nung 17
nóng được những vật nung dẫn điện và không dẫn điện; dễ vận hành sử dụng. Tuy nhiên có nhược điểm: tốc độ nung nóng thấp, hiệu suất thấp hơn phương pháp trực tiếp, dây đốt có thời gian làm việc thấp. Phương pháp gián tiếp được dùng rất rộng rãi trong lò điện trở, thiết bị sấy, bình nung nóng nước, bếp điện. 2. Phương pháp trực tiếp §1. Điện trở của dây đốt. Công thức đã dẫn ở trên QIR= 2 τ chỉ đúng cho trường hợp I và R là không đổi. Trong trường hợp chung ta viết được: τ QIRd= ∫ ()()τττ (1) 0 IR()ττ, () là hàm dòng điện và điện trở của biến thời gian τ . Sự thực R và I là hàm của nhiệt độ, còn nhiệt độ lại là hàm của thời gian. Điện trở của dây đốt có độ dài l tiết diện S ở trường hợp đơn giản tính theo: l R = ρ (2) S ρ - điện trở suất của dây đốt Công thức (2) dùng để tính điện trở đây đốt khi dòng điện một chiều và ở nhiệt độ không đổi. Ở kim loại, hợp kim điện trở suất tăng theo sự tăng của nhiệt độ t, ρ và ký hiệu điện trở suất trong trường hợp này là t và được tính theo công thức: ρρ=++++ αθβθγθ23 t 20 ()1 (3) Trong đó: ρ 0 20 điện trở suất ở nhiệt độ t = 20 C θ - độ tăng nhiệt từ 20 0C; θ =−tC200 1 αβ,,γ hệ số nhiệt điện trở 0 C Thực tế để đơn giản hơn và cũng đảm bảo độ chính xác của yêu cầu với dây đốt hợp kim phổ biến thường dùng công thức (3) với độ chính xác tới bậc nhất của θ : ρρ=+()αθ t 20 1 (4) Điện trở của dây đốt khi có dòng xoay chiều sẽ lớn hơn vì còn có hiện tượng hiệu ứng bề mặt. Đó là hiện tượng sự tăng mật độ dòng ở bề 18
mặt dây đốt tỷ lệ với sự tăng lên của tần số dòng qua dây đốt, còn giá trị trong lòng dây đốt một độ dòng lại giảm. Lúc đó điện trở lại ký hiệu R được xác định như sau; l RK= .ρ (5) mtS Trong đó hệ số Km gọi là hệ số hiệu ứng bề mặt. Km phụ thuộc vào tính chất vật lý, kích thước dây đốt và tần số dòng điện. Có thể xác định một cách gần đúng hệ số Km theo công thức sau đây a4 K =+1 (6) khi a 1 m 464a Trong đó: d a = - không đơn vị 4Za d(m)- đường kính của dây đốt Za- độ thấm sâu của dòng điện vào bề mặt dây đốt, mặt khác xác định Za theo: ρ Z = 503 t (8) a μ f ρ Ω t - điện trở suất của dây đốt ở nhiệt độ làm việc m μ - hệ số từ thẩm tương đối f- tần số dòng điện, Hz Với dây đốt là vật liệu phi từ tính, ở tần số công nghiệp f = 50 Hz ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt không rõ lắm, có thể bỏ qua trong tính toán và có Km = 1 Với những loại vật liệu từ tính, ví dụ khi tính toán trong nung nóng tiếp xúc để nung nóng tôi chi tiết máy. Độ thấm sâu vào vật liệu Za nhỏ hơn nhiều do đó ngay ở tần số công nghiệp hiệu ứng bề mặt cũng tác dụng rõ ràng, bởi vậy không bỏ qua được. §3.Những vấn đề khi thiết kế thiết bị nung nóng bằng phương pháp điện trở gián tiếp 1.Chọn điện áp nguồn cho thiết bị. Công suất toả ra ở dây đốt có kích thước xác định , viết được theo biểu thức sau: 19
U 2 Us2 . P = = (1) ρ Rt tt .l Từ (1) ta thấy khi tăng áp U vẫn giữ nguyên công suất P không đổi thì giảm tiết diện của dây đốt và như vậy giảm được khối lượng dây đốt. Tuy nhiên tăng điện áp cần tính tới độ cách điện và tăng an toàn trong sử dụng. Bởi vậy cần chọn điện áp thích hợp cho từng dải trị số công suất đã xác định, điều kiện làm việc của thiết bị. Thông thường điện áp 380/220V là phổ biến , ở những nơi ẩm ướt và yêu cầu cao về an toàn cần phải cung cấp nguồn điện áp 12÷36V thông qua dùng máy biến áp. 2. Điều chỉnh công suất thiết bị. Để điều chỉnh công suất có thể thực hiện bằng một số cách tuỳ thuộc yêu cầu thiết bị, sau đây trình bày một số cách như sau: a. Điều chỉnh điện trở dây đốt: là phương pháp phổ biến, bằng cách thay đổi số phần tử nung nóng. Để làm được điều đó thì mỗi pha phải có một số nhánh để có thể nối song song hoặc nối tiếp như hình 1, hình 2, hình 3, hình 4. R R R R R R R R Hình 1 Hình 2 R R R R Hình 3 Hình 4 R R R R R R 20
Chuyển đổi nối tam giác- sao lúc đó công suất thay đổi: U 2 = ⎛⎞d PRΔ 3.⎜⎟ . ⎝⎠R ⎛⎞U 2 d ⎛⎞U ⎜⎟ U 2 ===p 3 ⎛⎞d PY 3.⎜⎟ .RRR 3.⎜⎟ .⎜⎟ . ⎝⎠RRR⎜⎟ ⎝⎠ ⎜⎟ ⎝⎠ = Vậy P3PΔ Y Chuyển Δ→Y công suất giảm 3 lần Chuyển Y →Δ công suất tăng 3 lần b. Điều chỉnh theo phương pháp rơle Công suất điều chỉnh được viết theo biểu thức sau: τ PP= lv (2) ®m ττ+ lv n Trong đó: P- công suất điều chỉnh Pđm- công suất định mức của thiết bị τ lv - thời gian làm việc của thiết bị τ n - thời gian nghỉ τ Thay đổi tỷ số lv để điều chỉnh O, để thực hiện việc đó dùng mạch ττ+ lv n công tắc tơ và rơle. Có thể dùng mạch như hình 7 và hình 8. A O bé khèng chÕ nhiÖt ®é A2 §1 A1 tmax A O T tmin R A A A K K K R K R §2 R R R K §2 Hình 7 Hình 8 21
§3 tmax t® 2 t tmin t® P P®m lv n Hình 9 Hình 7 mạch cấp điện cho lò điện, hình 8 mạch điều khiển bằng các rơle R và công tắc tơ K.Bộ khống chế nhiệt độ có tiếp điểm nhiệt độ tmin bình thường đóng ứng với nhiệt độ min. Đặt ở chế độ tự động khi bật mạch điều khiển với nhiệt độ ban đầu còn thấp tiếp điểm tmin đóng dòng qua rơle R, tiếp điểm R đóng, công tắc tơ K làm việc, tiếp điểm K đóng cấp điện cho lò. Khi nhiệt độ đạt nhiệt độ tmax,tiếp điểm tmin hở, rơle R mất điện, tiếp điểm R hở công tắc tơ mất điện, tiếp điểm K hở,lò điện mất điện. Đường tăng giảm nhiệt độ quanh nhiệt độ đặt tđ tương ứng với đường thay đổi của công suất ở hình 9. c. Điều chỉnh liên tục Còn gọi là điều chỉnh trơn, thường dùng máy biến áp tự ngẫu, mạch khuyếch đại từ, mạch điện tử công suất công suất để điều chỉnh trơn điện áp cấp cho dây đốt. §4. Dây đốt trong phương pháp điện trở 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 Sau đây trình bày một số nội dung về dây đốt. 1. Phân loại một số dây đốt thông dụng Một số loại dây đốt thông dụng trong lò điện thiết bị sấy được phân thành 2 kiểu là dây đốt hở và dây đốt kín. a. 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 được dùng trong các lò điện trở, thiết bị sấy nung bằng không khí, bếp điện, thiết bị sưởi ấm 22
d D h Hình 1 d- đường kính dây đốt tròn D- đường kính lò xo h- bước lò xo A A A a H b Hình 2 a- bề rộng dây đốt dẹt b- bề dày dây đốt dẹt H- bước dây đốt díc dắc A- chiều cao díc dắc Ưu điểm của dây đốt hở là truyền toả nhiệt dễ, dễ bố trí trong thiết bị, dễ sửa chữa, dể tiền Nhược điểm loại hở là dễ bị ăn mòn, oxy hoá khi tiếp xúc trực tiếp với môi trường nung nóng, nhất là ở nhiệt độ cao, thời gian sử dụng không cao và kém an toàn. Ở hình 1 là loại dây đốt hở loại tròn, thường quấn theo lò xo để tăng độ cứng cơ có thể quấn trên thanh, ống gốm, sứ chịu nhiệt. Ở hình 2 là loại dây đốt hở kiểu dẹt, thường quấn theo díc dắc, loại này hay bố trí trong các lò điện trở có nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao. b. Dây đốt kín Là loại có phần tử nung nóng đặt kín 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. 23
1 2 3 4 5 6 7 hình 3 Ở hình 3 trình bày cấu tạo của dây đốt kín kiểu chữ U gồm những phần : 1- Phần tử nung nóng được quấn lò xo 2- Lớp ngăn cách dẫn nhiệt, cách điện 3- Vỏ kim loại bọc ngoài 4- Đầu dẫn ra 5- Lớp đệm kín 6- Êcu 7- Đầu nối điện Dây đốt kín có lớp vỏ kim loại bảo vệ nên có ưu điểm là thời gian sử dụng cao, an toàn, dùng để nung nóng trực tiếp dầu mỡ, nước, dung dịch, đảm bảo chất lượng tốt hơn so với dây đốt hở trong công nghiệp thực phẩm. Được sản xuất hàng loạt theo từng dải công suất, kích thước của dây đốt, toả nhiệt khó hơn, khi hư hỏng hầu như không sửa chữa được. Trong công nghiệp và sinh hoạt dây đốt kín dùng trong nung nóng trực tiếp dầu, mỡ, dung dịch, nước, trong thiết bị sấy thực phẩm, lò điện, bếp điện §5. Thời gian sử dụng của dây đốt Cùng với thời gian làm việc dây đốt bị biến đổi, làm thay đổi công suất truyền tải cũng như nhiệt độ trên dây đốt. Đìều đó biểu hiện qua các phân tích sau đây: 1. Về công suất truyền tải của dây đốt 24
UU22 Từ công suất trên dây đốt: P == với U = const. Trong R ρ l t S quá trình làm việc do dây đốt bị oxy hoá dó đó giảm diện tích bề mặt dây đốt S giảm xuống do đó công suất P giảm xuống. 2. Về nhiệt độ trên dây đốt Từ phương trình truyền tải công suất của dây đốt: =−() P KF t t0 Trong đó: P- công suất truyền tải của dây đốt t- nhiệt độ làm việc của dây đốt t0- nhiệt độ môi trường K- hệ số truyền nhiệt F- diện tích bề mặt truyền nhiệt Khi làm việc cùng với thời gian diện tích bề mặt dây đốt giảm dần, nếu muốn giữ cho công suất không đổi cần phải tăng điện áp, và điều đó làm tăng nhiệt độ dây đốt. Trong thực tế, sau thời gian làm việc do bị giảm diện tích bề mặt nên công suất giảm dần. Để giữ cho công suất không thay đổi cần tăng điện áp và tiếp theo là nhiệt độ trên dây đốt cũng tăng lên điều đó càng làm tăng thêm quá trình oxy hoá dây đốt, tiếp tục như vậy thời gian sử dụng dây đốt cũng giảm dần. 3. Thời gian sử dụng dây đốt Là thời gian dây đốt giảm đi 20 % diện tích bề mặt so với ban đầu. τ Ký hiệu là sd Quá trình oxy hoá diễn ra dọc theo chiều dày, không đồng đều ở dây đốt. Chỗ oxy hoá nhiều nhất là nơi có khuyết tật trong chế tạo, nơi bị gấp khúc va đập cơ học, những nơi khó toả nhiệt. Oxy hoá tăng lên ở môi trường ẩm ướt, hoá chất, thường những nơi như vậy nên chọn dây đốt kín nếu điều kiện cho phép. Khi ở nhiệt độ không đổi thời gian sử τ dụng sd tỷ lệ với tiết diện và khối lượng đặc của dây đốt, cho nên cần chọn dây đốt có tiết diện tăng hơn giá trị tính toán và có khối lượng đặc. Khối lượng đặc đó là tỷ số diện tích tiết diện và chu vi dây đốt. Khối lượng đặc lớn nhất với loại dây đốt có tiết diện tròn. Thời gian sử dụng dây đốt có thể tích theo công thức sau: ττ= ' sd K d Trong đó: τ ' - thời gian sử dụng dây đốt có đường kính đơn vị d = 1mm thường cho trong bảng trên đồ thị với đơn vị là h 25
d(mm)- đường kính dây đốt K- hệ số, với dây đốt tròn chọn K = 1, với dây đốt dẹt chọn K = 1,75 τ còn phụ thuộc vào số lần đóng cắt, bởi rằng sự đóng cắt làm tăng co dãn của vật liệu chế tạo dây đốt và màng chống oxy hoá trên bề mặt dây đốt, làm xuất hiện những hư hỏng vi nhỏ, và từ đó chính là nơi quá nhiệt. Khi thiết bị phải làm việc với tần số đóng cắt nhiều thì khi tính chọn dây đốt phải chọn nhiệt độ làm việc cho phép tcp càng nhỏ ( tlvcp nhỏ) để tăng thời gian sử dụng lên. Hình dưới là đồ thị để tính thời gian sử dụng τ' theo nhiệt độ làm việc 0 t( c) của một số loại dây đốt như Cr20Ni80, Cr20Ni80T, Cr15Ni60 nhận thấy khi nhiệt độ làm việc của dây đốt tăng cao thì thời gian sử dụng giảm xuống rất nhanh. (h) 4500 4000 3500 3000 Cr15Ni80 2500 Cr15Ni80 Cr15Ni60 2000 1500 1000 500 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 t C Hình 4 4. Nhiệt độ làm việc cực đại của dây đốt tmax Trong tính toán chọn dây đốt phải luôn chọn nhiệt độ làm việc của dây đốt tlv nhỏ hơn nhiệt độ làm việc cực đại tmax. Nhiệt độ tmax là nhiệt độ mà dây đốt phải chịu quá trình oxy hoá diễn ra mạnh nhất, có tính đột biến. Theo kinh nghiệm thường chọn nhiệt độ làm việc của dây đốt tlvmax 0 nhỏ hơn tmax ít nhất là 100 C. §6. Vật liệu chế tạo dây đốt 26
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 gían sử dụng của dây đốt. Khi chọn dây đốt đúng, thời gian làm việc dây đốt không quá 5 ÷ 10 nghìn giờ. Trong khi đó thiết bị được chế tạo cho 5 – 10 năm như vậy đối với vật liệu chế tạo dây đốt cần có yêu cầu cao. Yêu cầu đối với vật liệu chế tạo dây đốt như sau: 1. Bền vững chịu nhiệt, ở nhiệt độ cao vẫn bền vững trong điều kiện có oxy hoá. 2. Bền cơ cao trong 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. 3. 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. 4. Hệ số nhiệt điện trở nhỏ Với dây đốt điện trở, điện trở suất xác định theo: ρρ=+()αθ t 20 1 Hệ số nhiệt điện trởα là hàm của nhiệt độ Với kim loại nguyên chất hệ số α rất lớn, ví dụ với dây đồng hệ số α = 0,00401C− , ở nhiệt độ 100 0C với α = 0,00401C− thì điện trở tăng 40 %, khi ở nhiệt độ 1000 0C điện trở tăng 4- 5 lần. Sự thay đổi điện trở làm khó khăn hơn cho điều chỉnh nhiệt độ của thiết bị. 5. Các thông số như điện trở suất, hệ số nhiệt điện trở các thông số điện, vật lý ổn định, ít thay đổi theo nhiệt độ. 6. 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. 7. Dễ gia công, đồng đều, giá thành rẻ. Để thoả mãn các yêu cầu trên khó có hợp kim vật liệu nào đáp ứng đầy đủ, người ta chọn ra được những hợp kim, vật liệu tương đối tốt 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 là những hợp kim không từ tính, hợp kim Crôm – nhôm - sắt, hợp kim Ni40Cu60 còn gọi là congstantan Dây đốt kim loại tinh khiết ít được dùng các loại dây đốt kim loại tinh khiết như Vonfram: W0, Moliphoden M0, Tantan (Ta ) tuy có nhiệt độ làm việc rất cao, từ hàng nghìn độ 0C trở lên song trong điều kịên thông thường tiễp xúc với môi trường thì dễ bị oxy hoá, chóng hỏng. Bởi vậy phải làm việc trong môi trườg có khí bảo vệ hoặc chân không. Ở những thiết bị nhiệt độ thấp có thể dùng thép xây dựng hoặc dây đốt Ni40Cu60 rẻ tiền hơn. Sau đây xét một số loại cụ thể: 27
Dây đốt hợp kim: phổ biến hợp kim Crôm- Niken. Cr- Ni, Crôm- Nhôm. Cr- Al, Crôm – nhôm - sắt CrAlFe loại này có điện trở suất lớn. a. Hợp kim Crôm – Niken gọi là hợp kim NiCrôm : nhờ có màng oxytcrôm ( Cr2 03 ) bảo vệ vững chắc, có tính 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 hoá ít Có nhiều loại ví dụ: Cr20Ni80, Cr20 Ni80-N; Cr20 Ni80-T trong đó 20 % Cr, 80 % Ni đây là loại tốt, đắt tiền hơn trong cùng loại này. Ngoài ra còn có loại: Cr15Ni60- N khoảng 13 – 15 % Cr, 60 % Ni còn lại là sắt loại này rẻ tiền hơn. Loại Cr15Ni60 Al3A- có khả năng chịu nhiệt rất cao hoặc dùng thép không gỉ loại 1Cr 18 Ni 9T tuỳ từng loại cụ thể song dây đốt NiCrôm chịu nhiệt độ cao, có nhiệt độ làm việc cho phép tới 1000 – 1300 0C. Điện trở suất Nicrôm cao từ (1 ÷ 1,2) .10-4 Ω, hệ số α thấp hơn hàng chục lần sơ với thép cacbon. Nicrôm là loại dây đốt không từ tính, khi thiết bị làm việc ở nhiệt độ thấp để kinh tế có thể thay dây đốt Nicrôm bằng các loại dây đốt khác. b. Hợp kim sắt – crôm – nhôm FeCrAl Loại này chịu nhiệt độ cao, thoả mãn được phần lớn các yêu cầu nhưng có nhược điểm là giòn khó gia công, kém bền cơ khi ở nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ cao các oxýt SiO2 tác dụng phá huỷ màng bảo vệ Al2O3; Cr2O3 .Vì vậy khi đặt ở tường lò nơi tiếp xúc với dây đốt phải chứa nhiều ≥≤ Alumin ( Al23 O70%; Fe 23 O 1%) khi ở nhiệt độ cao độ dãn dài của loại này có thể đạt tới 30 ÷ 40 % gây khó khăn cho lắp đặt. c. Hợp kim эи Đây là hợp kim được sản xuất ở Nga, trong thành phần có lượng lớn Cr, được biến tính bằng lượng nhỏ các kim loại kiềm thổ nên loại này có độ bền nhiệt cao, làm việc đạt nhiệt độ tới 1300 0C. Có hai loại phổ biến là эи – 595 và эи – 626, loại эи – 626 có 0Cr27Al5A loại эи- 595 có 0Cr23Al5A d. Hợp kim Ni40Cu60 gọi là congstantan loại này có hệ số nhiệt điện trở α rất nhỏ, làm việc ở nhiệt độ thấp từ 300 0C, rẻ tiền hơn các loại hợp kim ở trên. e. Dây đốt là thép xây dựng, đó là loại thép cácbon, loại này làm việc ở nhiệt độ thấp, là loại rẻ tiền, được dùng trong nhà kính để trồng trọt ở những nơi giá lạnh. Các dây điện trở được tiêu chuẩn hoá khi sản xuất, ví dụ một số loại Nicrôm và эи do Nga sản xuất được dùng trong công nghiệp như sau: Với dây đốt tròn có đường kính (mm) 0,1 0,2 0,3 0,9 1 1,1 1,2 1,8 2 2,5 3 4 5 28
Ở Nga người ta chế tạo hai hợp kim эи – 595 và эи -626, nhiệt độ làm việc đạt 1300 0C. Chúng là hợp kim crôm có hàm lượng lớn, được biến tính bằng một lượng các kim loại kiềm thổ, nên tăng độ dẻo ở 1000 0C, chúng có độ bền cao. Các dây điện trở được tiêu chuẩn hoá khi sản xuất. Dây điện trở bằng hợp kim X13ю4, OX23юA, ( эи – 595); OX27ю5A ( эи- 626); X20H80 có đường kính dây: 2 2,2 2,5 2,8 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 mm Dây điện trở có tiết diện chữ nhật ()ab× 1.8 1.10 1,2.10 1,2.12 1,2.15 1,2.20 1,4.10 1,4.15 1,4.20 1,5.10 1,5.12 1,5.15 1,5.20 1,8.15 1,8.18 1,8.20 2.15 2.20 2.25 2,2.20 2,2.25 2,5.20 2,5.25 2,5.30 2,5.40 3.25 3.30 3.40 mm Những kích thước được dùng phổ biến nhất trong lò điện trở công nghiệp là: a. Dây điện trở có dạng xoắn lò xo Đường kính dây: 5; 5,5; 6; 6,5 và 7 mm b. Dây điện trở dạng lõi, cấu trúc kiểu díc dắc Đường kính dây: 8; 8,5; 9 mm c. Dây có tiết diện chữ nhật, cấu trúc kiểu díc dắc 2.20; 2,5. 25; 3.30 mm d. Trong các lò đối lưu tuần hoàn, hoặc trong các buồng nung không khí, người ta dùng các dây điện trở có đường kính: 3; 3,5; 4 và 4,5 mm hoặc dây băng có tiết diện: (1.10); (1,2.12); (1,5.15) ( xem phần phụ lục giới thiệu một số vật liệu và dây đốt) Dây đốt phi kim loại: là loại dây đốt từ vật liệu than, gốm, grafit, cacborun, loại này có ưu điểm là chịu được nhiệt độ cao từ 1000 ÷ 3000 0C, rẻ tiền hơn loại hợp kim. Nhược điểm là điện trở thay đổi nhiều khi ở nhiệt độ cao, thời gian làm việc thấp do bị oxy hoá nhiều, xét một số loại: a. Vật liệu than và grafit Than và grafit được dùng để chế tạo dây đốt dưới dạng thanh, ống, tấm Thường trộn thêm một lượng nhỏ samốt vào grafit để tăng độ bền, nhưng lại giảm nhiệt độ làm việc. Khi làm việc than và grafit dễ bị oxy 29
hoá trong không khí, nên thường dùng trong các lò có khí bảo vệ hoặc tính chọn thời gian làm việc ngắn. b. Vật liệu Cacbonrun (SiC) Được chế tạo dây đốt dưới dạng thanh,tấm, ống. Làm việc ở nhiệt độ từ 1000 – 1400 0C, điện trở suất cacbonrun lớn hơn nhiều so với hợp kim. Các thanh cacbonrun giòn trong sử dụng thường phải tăng nhiệt độ từ từ, điện trở tăng lên khi tăng thời gian sử dụng. Sau thời gian sử dụng 60 – 80 giờ, điện trở tăng khoảng 20 % sau đó tăng chậm. Để đảm bảo công suất lò không đổi lò dùng thanh cacborun thường phải điều chỉnh được điện áp để khi tăng điện trở thì sẽ điều chỉnh tăng điện áp, để giữ cho công suất của lò không giảm. Thời gian làm việc của thanh cacbonrun là 1000 – 2000 h . Khi ở nhiệt độ 1400 0C khi làm việc ở nhiệt độ cao hơn thì thời gian giảm xuống. Nêu nhiệt độ làm việc là 1200 – 1300 0C thì thời gian sử dụng có thể tăng 2- 3 lần so với ở 1400 0C. Tiết diện hai đầu thanh có tiết diện lớn hơn 6- 8 lần tiết diện làm việc của dây đốt để hạn chế toả nhiệt ở hai đầu. c. Cripton – là hỗn hợp của grafit, cacbonrun và đất sét. Chúng được tạo hạt có đường kính 2 – 3mm. Ở dạng hạt do điện trở tiếp xúc giữa các hạt lớn, nên điện trở suất của Cripton lớn hơn điện trở suất của than và grafit. Nó phụ thuộc nhiều vào độ nén chặt. Loại dây đốt Cripton làm việc ở nhiệt độ cao khoảng 1800 – 2000 0C. Trong thời gian làm việc Cripton cháy dần,loại này cấu tạo đơn giản và rẻ tiền. §7. Cấu trúc của dây điện trở kim loại Trong các lò điện trở, dây đốt có thể chọn loại tròn hoặc loại chữ nhật. Từ hai loại tròn và dẹt này người ta cấu trúc thành kiểu lò xo hoặc ziczăc như sau: -Dây điện trở tròn có cấu trúc díc dắc. -Dây điện trở có tiết diện chữ nhật, cấu trúc díc dắc. Khi chọn dây điện trở và khi lắp đặt lò điện trở cần lưu ý: a) Khả năng ăn mòn hoá học giữa dây điện trở và lớp lót tiếp xúc với dây. b) Khả năng ăn mòn hoá học của khí lò đối với dây. Khi nhiệt độ dây điện trở cao hơn 9000C không được đặt dây điện trở trực tiếp lên tường lò bằng samốt (để tránh tạo ra hợp chất dễ chảy giữa dây và samốt). Để giữ dây điện trở, ta dùng gạch gốm chất lượng tốt làm gạch đỡ dây điện trở (samốt loại A, vật liệu Alumin, vật liệu giàu AL2O3). Dây điện trở săt- crôm-nhôm dễ bị giòn trong môi trường chứa khí CO, do đó trong môi trường CO thường dùng dây Cr-Al. Sau đây ta xét cấu tạo và bố trí dây đốt với kiểu ziczăc và kiểu lò xo. 30
a. Cấu tạo dây điện trở có tiết diện chữ nhật. Dây điện trở có tiết diện chữ nhật thường được cất trúc theo kiểu díc dắc. Chúng thường được treo thẳng đứng ở tường lò hoặc đặt nằm ngang ở đáy lò, nóc lò. Những kích thước cơ bản của dây điện trở tiết diện chữ nhật và tròn có cấu trúc díc dắc và lò xo được mô tả ở hình 5a, b, c. t = 2 e t = 2 e a d e e H H b A A a a) b) A-A D t t B c) d Hình 5. Các kích tước cơ bản của dây điện trở: a) Dây điện trở tròn kiểu díc dắc b) Dây điện trở tiết diện chữ nhật kiểu díc dắc c) Dây tiết diện tròn kiểu xoắn lò xo. Thông thường b/a = m =10. Bước díc dắc t nên chọn bằng 2b: t = 2b. Chiều cao díc dắc không lớn hơn 10b (H≤10b). Khi bố trí dây điện trở trên tường lò, ta dùng các móc nhỏ cắm vào tường lò, việc bố trí các móc này phụ thuộc vào bước díc dắc t 31
4 3 5 6 A t 9 e H 2 8 7 B r b Hình 6. Dây điện tiết diện chữ nhật kiểu dích dắc treo trên tường lò: A- Chốt bằng móc tròn: B- Chốt bằng móc tấm. 1- Dây dẫn trở tấm; 2- Móc tròn; 3- Ống gốm; 4- Đệm lót bằng gốm. 5- Đệm bằng kim loại , 6- Chốt giữ kiểu vòng; 7 - Chốt dạng tấm; 8 và 9 - Ống lót và đệm bằng gốm. Chiều cao díc dắc H không vượt quá 10b khi treo. Khi nằm ngang trên giá đỡ hoặc trên bản gốm có rãnh thì chiều dài H không bi hạn chế. Các phương pháp lắp đặt dây điện trở được mô tả ở hình 7. b. Cấu tạo dây điện trở có tiết diện tròn. Dây điện trở tiết diện tròn được cấu tạo theo hai kiểu: - Kiểu díc dắc. - Kiểu xoắn lò xo. - Kiểu xoắn lò xo có hai dạng: xoắn trụ và xoắn phẳng. Trong thực tế thường gặp xoắn trụ. Sau đây ta xem xét về kiều xoắn lò xo và kiểu ziczăc của dây điện trở khi bố trí trong lò điện trở: 1.Dây điện trở tiết diện tròn kiểu xoắn lò xo. Ở những lò có nhiệt độ thấp, người ta treo tự do dây xoắn hoặc cố định chúng bằng các dây cách điện. Ở những lò có nhiệt độ trung bình hoặc nhiệt độ cao, người ta đặt dây xoắn trong các rãnh hoặc giá đỡ, hoặc quấn quanh các ống gốm. Đường kính trung bình của vòng xoắn là D, bước lò xo t≥2d ( hình 5). Trong cùng điều kiện như nhau, nếu bước xoắn t càng lớn thì ảnh hưởng che chắn của dây giữa các vòng xoắn là nhỏ. Đường kính trung bình của vòng xoắn D càng lớn thì khả năng phân bố công suất trên 1m2 tường lò càng lớn, nhưng độ bền cơ học yếu đi và dễ xảy ra biến dạng của đường xoắn dưới tác dụng của trọng lượng bản thân dây xoắn. Khi đặt dây xoắn nằm tự do thì giá trị D/d không lớn hơn 10 (D/d≤10). 32
Các dạng D/d được trọn theo bảng 1 1 2 4 3 5 6 7 8 Hình 7 Ở hình 7 trình bầy các kiểu bố trí dây điện trở trong lò: 1- Đặt ở tường bên; 2- Đặt ở đáy lò; 3- Đặt dưới nóc lò; 4- Đặt trên giá gốm ở tường bên; 5- Đặt trên các viên gạch đua ra ở tường bên; 6- Dây xoắn đặt ở tường bên; 7- Dây xoắn đặt ở nóc lò và đáy lò; 8- Dây xoắn lồng ngoài ống gốm. Bảng 1. Các giá trị (D/d)max tuỳ theo nhiệt độ dây và vật liệu . Nhiệt độ dây, 0C Crôm - Niken Sắt – Crôm - Niken 1000 10 8 1100 9 7 1200 - 6 1300 - 5 Ghi chú: 33
- Dây nung xoắn quấn trên ống gốm, có thể tăng tỷ số này so với trong bảng. - Đảm bảo vít quấn đều, vì tại vùng bước vít bị mau thì dây sẽ bị quá nung và gây đứt dây nung. 2. Dây tiết diện tròn kiểu díc dắc Dây tiết diện tròn kiểu díc dắc có thể được kẹp chặt trên tường bằng những viên gạch gốm có gờ, hoặc dùng móc treo bằng thép bền nhiệt ( khi đường kính dây đốt d > 7mm). Chiều cao của díc dắc H nên chọn: - Đối với hợp kim Crôm-Niken: H≤250mm (treo trên tường) H≤200mm (đặt dưới nóc lò) - Đối với hợp kim Sắt-Crôm-Nhôm H≤200mm (treo trên tường) H≤150mm (đặt dưới nóc lò) Đối với dây tiết diện tròn kiểu díc dắc đặt ở đáy lò thì chiều cao díc dắc H có thể lấy lớn hơn (20÷30)%. Khoảng cách giữa các trục của dích dắc ( xem trên hình 5 và 6) đặt trong các tấm gạch định hình có gờ, phụ thuộc vào kích thước của viên gạch định hình có gờ, phụ thuộc vào kích thước của viên gạch. Hiện nay các bước gờ thường chọn 12,5 và 17,5mm. Đối với những dây dùng chốt để kẹp chặt thì khoảng cách e không nhỏ hơn 2,75 lần đường kính dây điện trở. Những dây đặt ở tường bên, được treo trên móc, các móc này cắm trên tường lò. CHƯƠNG 5. TÍNH TOÁN NHIỆT CỦA DÂY ĐỐT Tính toán dây đốt bao gồm tính toán nhiệt và tính toán điện. Tính toán điện sẽ xét ở phần sau. Tính toán nhiệt là xác định nhiệt trở và mật độ công suất của dây đốt. Tính nhiệt trở là bài toán khá phức tạp, nhiệt trở phụ thuộc vào nhiều thông số và các điều kiện trong nung nóng. Để cho từng loại dây đốt, từng kiểu bố trí dây đốt, từng phương thức truyền nhiệt khác nhau nhiệt trở lại được tính khác nhau. Do đó với từng trường hợp cụ thể phải tính riêng biệt để tìm điện trở. Sự truyền nhiệt trong thiết bị điện nhiệt được thực hiện theo các phương thức cơ bản sau: Theo phương thức dẫn nhiệt. Theo phương thức đối lưu. Theo phương thức bức xạ. 34
Và sự kết hợp giữa các phương thức. Sau đây sẽ xét cụ thể từng trường hợp theo từng phương thức. §1. Một số đại lượng thường sử dụng trong tính toán nhiệt của dây đốt t- Mật độ công suất, còn gọi là công suất riêng bề mặt của dây đốt: ký hiệu W. Mật độ công suất W : là tỷ số giữa công suất dây đốt cung cấp P và diện tích bề mặt truyền nhiệt F dây đốt có: P W= (1) F Trong đó: P (W); F ( m2 ), W (W/m2 ) hoặc có thể ung theo đơn vị W (W/ cm2 ). 2. Nhiệt trở : ký hiệu rt Công suất truyền nhiệt tải của dây đốt P được tính theo công thức: P = K (t – t0 ) F (2) W Trong đó: K – hệ số truyền nhiệt của dây đốt m20C t- nhiệt độ truyền nhiệt của dây đốt , 0 C 0 t0 – nhiệt độ của môi trường , C F – tiết diện bề mặt truyền nhiệt của dây đốt, m2 từ (2) tính được mật độ công suất W: P W==−K (tt ) F 0 1 Đặt = r gọi là nhiệt trở của dây đốt. K t −=Δ tt0 t- độ chênh lệch nhiệt độ Δt Có W= (3) rt mC20 Đơn vị của nhiệt trở rt ( ) W Nhiệt trở rt được xác định cho từng trường hợp truyền nhiệt cụ thể. Sau đây xét them một số phương thức truyền nhiệt trong các thiêt bị điện nhiệt. §2. Truyền nhiệt theo phương thức dẫn nhiệt Phương thức truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt được thực hiện nhờ có sự tiếp xúc giữa vật được nung nóng và dây đốt hoặc thông qua môi trường truyền nhiệt. 35
Công suất truyền tải của dây đốt P theo phương thức dẫn nhiệt được xác định theo công thức Furiê λ P =−()ttF (1) δ 0 W Trong đó: λ - hệ số dẫn nhiệt m0C δ - độ dày của lớp truyền nhiệt , m t- nhiệt độ của dây đốt, 0 C 0 t0 - nhiệt độ môi trường được truyền nhiệt , C F - bề mặt truyền nhiệt m2 P - công suất truyền tải từ dây đốt tới môi trường hoặc tới vật. Sau đây lấy ví dụ tính nhiệt trở cho dây đốt kín truyền nhiệt theo phương thức dẫn nhiệt. Bài toán: Tính nhiệt trở dây đốt kín, lớp bọc ngoài là kim loại như hình.1, phần tử nung nóng là hợp kim Nicrôm, quấn lò xo lớp lót bằng vật liệu MgO, các thông số kích thước cần thiết được cho trên hình.1. d h D D1 D2 1 2 3 Hình 1 Ở hình 1 có: 1. Phần tử nung nóng 2. Lớp lót 3. vỏ kim loại d- đường kính phần tử nung nóng h- bước lò xo D - đường kính lò xo phần tử nung nóng D1- đường kính trong của vỏ kim loại D2 - đường kính ngoài của vỏ kim loại Thứ tự tính nhiệt trở được thực hiện như sau: 1. Tính nhiệt trở dài của lớp lót Nhiệt trở được tính theo đơn vị dài, được gọi là nhiệt trở dài có đơn vị là mC0 mC0 ; ký hiệu nhiệt trở dài của lớp lót là r' () W tdl W ' Công thức tính rtdl cho H.1 được xác định theo biểu thức ở tài liệu tính toán thiết kế dây đốt kín như sau (TL1): 36
1 ⎡⎤D − ryKx'3=++−−ln1 10 (0,5 59 )( 1 6,56. 0,38 ) (2) tdl πλ ⎢⎥ 2 1 ⎣⎦D Trong đó: W λ - hệ số dẫn nhiệt của lớp lót 1 m 0C D - đường kính trung bình của phần tử nung nóng quấn lò xo ddh xyK===,, DD1 d ' Nhiệt trở dài rtdl của lớp lót ảnh hưởng tới dòng nhiệt từ phần tử nung nóng lò xo 1 tới vỏ phía trong vỏ kim loại bọc dây đốt. '' 2. Tính nhiệt trở dài của vỏ kim loại: ký hiệu là rtdl được tính theo biểu thức (TL1): 1 D r'' = ln 2 (3) tdl πλ 2 21D D1, D2 - đường kính trong và ngoài của vỏ kim loại, m W λ - hệ số dẫn nhiệt của vỏ kim loại, 2 m 0C 3. Tính nhiệt trở dài từ phần tử nung nóng tới bề mặt ngoài của vỏ kim loại – ký hiệu: rtdl =+''' rrrtdl tdl tdl (4) 4. Tính đường kính tương đương ký hiệu Dtđ Nhiệt trở của dây đốt truyền nhiệt theo phương thức dẫn nhiệt hình.1 ký hiệu :rtd mC20 rtd – là nhiệt trở tính cho đơn vị diện tích bề mặt dây đốt có đơn vị W và bằng tích của nhiệt trở dài rtdl với chu vi dây đốt tương đương với phần tử nung nóng 1 ở H.1, và dây đốt tương đương đó có đường kính là Dtd . Từ đó viết được: = π rDrtd t®. tdl (5) Để tính đường kính Dtđ ta tính nhiệt trở dài của dây đốt tương đương và ' coi bằng nhiệt trở dài rtdl đã tính ở trên của phần tử nung nóng 1 ở hình.1, dây đốt tương đương có dạng trụ bởi vậy được tính theo biểu thức như ở biểu thức (3) vậy viết được: 1 D r' = ln 1 (6) tdl πλ 2 1®Dt từ biểu thức (6) tính được Dtd : =−⎡⎤' πλ (7) DexplnD2t®⎣⎦ 1rtdl 1 5. Xác định được Dtđ ta tính được rtd theo biểu thức (5) 37
6. Tiếp theo tính mật độ công suất theo phương thức dẫn nhiệt: Δt W = (8) rtd 7. Ví dụ tính toán nhiệt trở theo phương thức dẫn nhiệt với các biểu thức đã dẫn ra ở trên, cho các số liệu cụ thể như sau để tính: W W h = 2 mm; D1 = 10 mm; D2 = 13 mm; λ = 1, 5 , λ = 40 1 m 0C 2 m 0C Thay vào biểu thức có: 1 ⎡⎤D − ryKx'3=++−−ln1 10 (0,5 59 )( 1 6,56 0,38 ) tdl πλ ⎢⎥ 2 1 ⎣⎦D dhd0,5 2 0,5 yKx==,, == = = D5d 0,5D101 1⎡⎤ 10− 0,5 2 0,5 r'3=++−−ln 10 (0,5 59. )( 1 6,56( ) 0,38 ) tdl 21,5π ⎢⎥ 5 5 0,5 10 ⎣⎦ mC0 = 0,075 W 0 1113D − mC r''==ln2 ln = 0,104.10 2 tdl πλ π 22.4010W21D =+=''' +− 2 = rrrtdl tdl tdl 0,075 0,104.10 0,076 1110.10D −3 r' =→=ln1 0,046 ln tdl πλ π 22.1,51®DDttd =−-3π =− 3 Dt® exp(ln10.10 2 .1,5.0,075) 3,5.10 m Tính nhiệt trở rtd : 20 −−mC rr==.ππ . D 0,076. .3,5.1033 = 0,84.10 td tdl t® W Tính mật độ công suất: Δ tt− t =Δ−lv 0 W=trong ®ã t =t lv t 0 rtd rtd 0 tlv - nhiệt độ làm việc của phần tử dây đốt lò xo, C 0 t0 - nhiệt độ môi trường, C. § 3. Truyền nhiệt theo phương thức đối lưu Truyền nhiệt theo phương thức đối lưu được thực hiện khi có dòng khí hoặc chất lỏng chuyển động tự nhiên hoặc cưỡng bức qua dây đốt. Phương trình truyền tải công suất của dây đốt được viết theo công thức Niu tơn như sau: 38
=−α P dl ()ttF0 (1) Trong đó: W α - hệ số truyền nhiệt đối lưu, ®l m20C F - diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2 t - nhiệt độ làm việc của dây đốt, 0C 0 t0 - nhiệt độ môt trường, C α Hệ số ®l là hàm của nhiều biến, ví dụ như phương thức đối lưu là tự nhiên hay bắt buộc, nhiệt độ dây đốt, môi trường hình dáng dây đốt, kích thước cấu trúc của bố trí dây đốt, tính chất của môi trường α Giá trị của ®l trong các điều kiện trao đổi nhiệt khác nhau thường được xác định theo thực nghiệm. Các kết quả thu được, được xử lý theo nguyên lý lý thuyết đồng dạng và đưa thành dưới dạng các phương trình tiêu chuẩn. Từ các quan hệ giữa các phương trinh tiêu chuẩn trong hệ tính α toán, sẽ tính ra được hệ số ®l . α Sau đây, sẽ lấy ví dụ tính hệ số ®l trong thiết bị sấy dùng phương pháp truyền nhiệt đối lưu, khá phổ biến trong kỹ thuật sấy. Ví dụ: bài toán trao đổi nhiệt bằng đối lưu trong các thiết bị sấy bằng khí nóng. Dòng khí được thổi cưỡng bức qua dây đốt kín dạng ống theo hướng vuông góc với dây đốt. Theo tài liệu kỹ thuật nhiệt đưa ra được các phương trình tiêu chuẩn mà dựa vào các phương trình đó để xác định α hệ số ®l . Quan hệ giữa các phương trình tiêu chuẩn được viết cho trường hợp này có dạng: n m Nu = C.Pr .Re (2) Trong đó: α D Nu = dl - gọi là tiêu chuẩn Nuxenta λ W α - hệ số truyền nhiệt theo đối lưu, ®l m20C D - đường kính ngoài của dây đốt, m W λ - hệ số dẫn nhiệt của khí ( không khí ) mC0 ωD R = - gọi là tiêu chuẩn Reinonxa , không đơn vị e υ ω - tốc độ của khí, m/s D - đường kính ngoài của dây đốt, m υ - hệ số nhiệt động học của khí m2/s 39
υ P = - gọi là tiêu chuẩn Praly – không đơn vị r a 2 a- hệ số dẫn nhiệt độ của khí, s/ m n, m – là hằng số mũ C - hằng số phụ thuộc vào số dãy ống dây đốt, cách bố trí dây đốt. Từ đó (2) viết được quan hệ sau: α υωnm ®lD ⎛⎞⎛D ⎞ = C⎜⎟⎜. ⎟ (3) λυ⎝⎠⎝a ⎠ α Từ phương trình (3) sẽ tính được hệ số dl Ví dụ số dây đốt được bố trí như ở H.1 Dây đốt kim loại ống tròn, bố trí theo kiểu bàn cờ đan xen nhau như H.1. Tác nhân đối lưu là không khí thổi cưỡng bức vuông góc với dây đốt, với tốc độ ω . D khÝ S S1 S2 Sè d·y Z Hình 1 Các thông số cần thiết tham gia vào phương trình 3 cho ở hình.1 Từ phương trinh (3) làm cơ sở, trong trường hợp này dạng biểu thức tính α ®l còn tuỳ thuộc vào quan hệ giữa các thông sô D; S; S1 theo tỷ số : SD− 1 (*) SD− α Sự phụ thuộc vào tỷ số (*)để có biểu thức cho ®l đã được xác định theo TL1 như sau: SD− Khi tỷ số 1 ≥ 0,7 thì α được tính theo biểu thức: SD− ®l λP 0,35 SD− 0,25ω 0,6 α = r ⎛⎞⎛⎞1 ®l 0,39.C .0,4 .⎜⎟⎜⎟ . (4) DSD⎝⎠⎝⎠− υ SD− Khi tỷ số 1 < 0,7 thì α tính theo biểu thức: SD− dl 40
λP 0,35 ω 0,6 α = r ⎛⎞ ®l 0,36.C .0,4 .⎜⎟ (5) D ⎝⎠υ Trong đó S tính theo biểu thức: =+()2 2 SSS0,5 12 ( ) hệ số hiệu chỉnh C phụ thuộc vào số dãy Z của các ống dây đốt hình.1 và và đã lập được quan hệ giữa c và z theo đồ thị hình.2 C 1 0,9 0,8 0,7 Sè d·y Z 5 10 20 30 Hình 2 α Sau khi tính được hệ số ®l , sẽ tính được nhiệt trở đối lưu Tính nhiệt trở đối lưu: ký hiệu rtđl Từ công thức chung tính nhiệt trở : = 1 rt KhÖ sè truyÒn nhiÖt 1 mC20 Có r = , (6) tl® α ®l W Tính mật độ công suất đối lưu: tt− = 0 W®l (7) rtl® + Xét trường hợp sự truyền nhiệt của dây đốt được bố trí như hình.1 bao gồm cả hai phương thức đối lưu và dẫn nhiệt. Trong trường hợp này để tính nhiệt trở chung cho cả hai phương thức thực hiện như sau: Ký hiệu nhiệt trở của trường hợp này là rt (đl +d) ; a. Qui về tính nhiệt trở dài của từng phương thức Với phương thức đối lưu nhiệt trở dài là rtđl l được tính : r r = tl® (8) tll® π D Trong đó: rtđl - nhiệt trở đối lưu D- đường kính dây đốt 41
Với phương thức dẫn nhiệt, nhiệt trở dài là rtdl được tính: r r = td (9) tl® π Dt® Trong đó: rtd - nhiệt trở dài Dtđ - đường kính tương đương b. Tính nhiệt trở dài của 2 phương trình ký hiệu rt (đl +d) l rt (đl +_d) l = rtđl l + rtd l (10) c. Tính nhiệt trở rt (dl +d) theo π rt (đl +d) = rt (đl +d ) l . Dt® (11) trong đó: Dtđ - đường kính tương đương của dây đốt Lấy ví dụ tính toán với số liệu cụ thể như sau: VD: Hãy tính nhiệt trở cho hệ thống dây đốt được bố trí như H.1 D = 13 mm kh«ng khÝ S S1 = 26 mm =10m/s S2 = 13 mm Z =5 Hình 1 Các thông số ở hình.1 như sau: D = 13 mm, S1 = 26 mm; S2 = 13 mm Số dãy ống Z = 5. Dòng khí chuyển động cưỡng bức, vuông góc với dây 0 đốt có tốc độ ω = 10ms / , nhiệt độ trung bình của khí là t0 = 30 C khi làm việc, nhiệt độ bề mặt ngoài của dây đốt là 400 0C. Và hãy tính nhiệt độ làm việc của phần tử nung nóng quấn lò xo trong ống dây đốt kín trên. Sẽ tính toán ví dụ theo thứ tự như các biểu thức đã được dẫn ra ở trên. SS− 2 1. Tính tỷ số 1 trong đó SSSmm=+=()0,52 18,4 SD− 12 SS−−26 13 1 ==>2,4 0,7 do đó có biểu thức tính α như sau: SD−−18,4 13 ®l SS− 2. Tính α khi 1 > 0,7 có biểu thức: ®l SD− λP 0,35 SD− 0,25ω 0,6 α = r ⎛⎞⎛⎞1 ®l 0,39.C .0,4 .⎜⎟⎜⎟ . DSD⎝⎠⎝⎠− υ 0 Ở nhiệt độ t0 = 30 C không khí có các thông số vật lý sau: 42
− W λ = 2,58.10 2 m 0C 2 − m υ = 1, 66.10 5 s = Pr 0,702 Hệ số C tìm được ở đồ thị hình.2 : C = f(Z ) α Ứng với Z = 5 có C = 0,9 thay vào ®l : − 0,6 2,58.1020,35 .0,702⎛⎞ 10 α = 0,39.0,9. .2,40,25 . ®l (13.10−−30,4 )⎜⎟ 1,66.10 5 ⎝⎠ W = 166,2 m20C 3. Tính nhiệt trở đối lưu rtđl 20 11 − mC r == =0,60.10 2 t®l α ®l 166,2 W 4. Tính mật độ công suất đối lưu, Wđl . tt−− ==20 400 30 = 4 W W®l −22 6,15.10 rt®l 0,60.10 m Trong đó: t2 - nhiệt độ bề mặt ngoài của dây đốt t0 - nhiệt độ môi trường. 5. Tính nhiệt độ của phần tử nung nóng lò xo ở phương thức đối lưu như sau: - Tính mật độ công suất đối lưu theo đơn vị dài Wđl l − W W== W .ππD 6,15.1043 . .13.10 = 2510 ®l l ®l m - Tính nhiệt độ của phần tử nung nóng lò xo theo biểu thức: =+ tt12W. ®l l rtd l Trong đó: t1- nhiệt độ của phần tử nung nóng lò xo 0 t2 - nhiệt độ bề mặt ngoài của dây đốt: t2 = 400 C Wđl l - mật độ công suất đối lưu theo đơn vị dài rtd l - nhiệt trở dài của phương thức dẫn nhiệt thay kết quả đã tính vào ta có t1: 0 t1 = 400 + 2510 . 0,076 = 590 C. Vậy khi bề mặt ngoài trời của dây đốt có yêu cầu là 400 0C thì trong điều kiện làm việc ở trên ta xác định được nhiệt độ làm việc của phần tử nung nóng lò xo trong dây đốt là 5900C. Điều này cho phép tính chọn phần tử nung nóng lò xo trong dây đốt sao cho hợp lý. 6. Tính nhiệt trở trong trường hợp làm việc có cả hai phương thức: đối lưu và dẫn nhiệt. 43
Thứ tự thực hiện a. Tính nhiệt trở dài của phương thức dẫn nhiệt đối lưu: rtđl l r 0,60.10−20mC r ==t®l =0,147 t®l l ππD .13.10−3 W b. Tính nhiệt trở dài của phương thức dẫn nhiệt bằng dẫn nhiệt Với dây đốt đã cho ở đầu bài giống dây đốt ở mục truyền nhiệt là dẫn nhiệt, mà kết quả đã có ở trên: mC0 r = 0,076 t®l W c. Tính nhiệt trở dài gồm đối lưu và dẫn nhiệt Ký hiệu : rt (đl + d) l mC0 rt(đl+ d) l = rtđl l + rtd l = 0,147 + 0,076 = 0,223 W d. Tính nhiệt trở của đối lưu và dẫn nhiệt: rt (đl + d) = π rrtd(®l+d) t (®l +d)l D t ® Trong đó: Dtđ – là đường kính của dây đốt tương đương. Với loại dây đốt đã cho ở đầu VD giống dây đốt ở phương thức dẫn nhiệt đã xét ở trên và đường kính đã tính ở trên là : -3 Dtđ = 3,5 mm = 3,5 .10 m Thay vào: 20 −−mC r ==0,223.π .3,5.1032 0.245.10 t(®l +d) W e.Tính mật độ công suất trên bề mặt ngoài dây đốt: 0 Theo yêu cầu nhiệt độ bề mặt của dây đốt là : t2 = 400 C nhiệt độ 0 môi trường t0 = 30 C ta có: tt−− ==0 400 30 = 4 W W(®l +d) −22 15,1.10 rt(®l+d) 0,245.10 m f. Tính công suất P dây đốt cung cấp. Với P = W(đl +d ).F Với F - diện tích bề mặt của dây đốt tính được qua kích thước dây đốt đã cho ở hình.1, từ đó tính được công suất P. Hoặc chọn số dây đốt để thoả mãn công suất, khi biết công suất và mật độ công suất. Các đại lượng nhiệt trở, mật độ công suất tính ở trên sẽ cần thiết cho tính toán kích thước dây đốt trong phần tính chọn kích thước ở các mục sau. §4. Truyền nhiệt theo phương thức bức xạ 44
1. Khái niệm về truyền nhiệt theo phương thức bức xạ Thông thường với dây đốt hở có thế cả dây đốt kín sự truyền nhiệt được thực hiện bằng cả đối lưu và cả bức xạ. Khi nhiệt độ làm việc của dây đốt tăng lên thì sự truyền nhiệt bằng bức xạ tăng nhanh hơn đối lưu. Đặc biệt thấy rõ khi nhiệt độ dây đốt tăng trên 5000C. Bức xạ là sự truyền nhiệt từ vật này đến vật khác thông qua môi trường truyền nhiệt. Lượng nhiệt bức xạ tới vật, một phần được vật hấp thụ, một phần bị phản xạ lại, vật được nung nóng lên bởi phần nhiệt được hấp thụ. Khả năng hấp thụ nhiệt của các vật là khác nhau, phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật. Những vật cứng và lỏng hấp thụ tốt hơn. Môi trường truyền nhiệt có ảnh hưởng tới mức độ hấp thụ nhiệt của vật. Không khí khô sạch là môi trường tốt cho các tia bức xạ nhiệt. Không khí ẩm chứa bụi, chứa khí CO2 thì cản trở truyền nhiệt bằng bức xạ. Những vật đen có khả năng bức xạ nhiệt và hấp thụ nhiệt lớn nhất. Trong tự nhiên thường gặp những vật xám, khả năng bức xạ và hấp thụ nhiệt kém hơn vật đen. Sự truyền nhiệt trong các lò điện trở khi làm việc ở nhiệt độ lớn hơn 500 0C chủ yếu là bức xạ. 2. Định luật Stepham – Boxman Sự bức xạ của vật đen tuyệt đối phụ thuộc vào nhiệt độ của vật và được xác định bằng định luật bức xạ Stepham – Boxman như sau: = σ 4 E 0T (1) Trong đó: W σ - là hằng số Steppham – Boxman, đơn vị là , và có giá 0 m20K 4 − W trị là: σ = 5,7.10 8 0 m20K 4 T- là nhiệt độ của vật bức xạ, tính theo nhiệt độ Kenvin, 0K W E - năng lượng bức xạ trên đơn vị diện tích bề mặt vật bức xạ, m2 Với những vật màu xám, độ bức xạ kém hơn, bởi vậy cần đưa thêm vào biểu thức (1) hệ số chỉ mức đen – ký hiệu ε được xác định theo: E ε = vËt x¸m EvËt ®en tuyÖt ®èi Evật xám – năng lượng bức xạ của vật xám Evật đen tuyệt đối – năng lượng bức xạ của vật đen tuyệt đối Hệ số ε thường nhỏ hơn hoặc bằng 1: ε ≤ 1 45
Công thức (1) chuyển thành: 4 ⎛⎞T E = 5,7.ε .⎜⎟ (2) ⎝⎠100 Các giá trị ε của các vật khác nhau tìm được trong sổ tay tính toán kỹ thuật nhiệt. Công thức Stepham – Boxman là cơ sở để tính truyền nhiệt bằng bức xạ. 3. Công suất truyền tải trong bức xạ Trong hệ kín gồm có hai vật với hình dạng bất kỳ, công suất truyền bằng bức xạ từ vật này tới vật khác được xác định theo công thức sau: ⎡⎤TT44 =−⎛⎞⎛⎞12 P 5,7.CHqd .⎢⎥⎜⎟⎜⎟12 (3) ⎣⎦⎢⎥⎝⎠⎝⎠100 100 Trong đó: 0 T1 - nhiệt độ của vật thứ nhất bức xạ nhiệt, K T2 - nhiệt độ của vật thứ hai, là vật nhận bức xạ nhiệt của vật thứ nhất,0K Cqd - hệ số qui dẫn,là hệ số qui đổi mức đen của các vật tham gia vào trao đổi nhiệt, Cqd - phụ thuộc vào các hệ số chỉ mức đen của từng vật W tham gia vào trao đổi nhiệt; mK20 4 H12 - bề mặt tương hỗ bức xạ, được xác định theo biểu thức: ==ϕϕ H12 12FF 1 21 2 (4) F1 , F2 – diện tích bề mặt của các vật tham gia vào trao đổi nhiệt , m2 ϕϕ 12, 21 - (không đơn vị) là hệ số nhận bức xạ Đó là hệ số trung bình theo bề mặt của vật hấp thụ nhiệt bức xạ, nó chỉ ra phần nào của dòng nhiệt bức xạ phát ra từ vật bức xạ rơi trên vật nhận bức xạ. Ở đây chỉ nói tới những phần nhiệt rơi trên vật được hấp thụ và cả phần nhiệt của vật bức xạ. Nếu công suất bức xạ là P1; công suất rơi trên vật hấp thụ là P2 , thì có: P ϕ = 2 12 (5) P1 ϕ 12 - là thông số phụ thuộc vào hình dáng, vị trí tương đối với nhau của các vật tham gia trao đổi nhiệt. 46
ϕ Tương tự như vậy tính được 21 P ϕ = 3 21 (6) P4 P3 - công suất hấp thụ của vật 1 đối với công suất bức xạ P4 của vật 2 P - công suất truyền tải nhiệt bằng bức xạ, W 4. Mật độ công suất trong bức xạ P Từ công thức W= thì có: F ⎡⎤44 ⎛⎞⎛⎞TT12− 5,7.C qd ⎢⎥⎜⎟⎜⎟ P ⎢⎥⎝⎠⎝⎠100 100 W= = ⎣⎦H (7) F F 12 5. Mật độ công suất lý tưỏng Việc xác định mật độ công suất W theo công thức (7) gặp nhiều khó khăn ϕϕ khi phải tính tới các hệ số 12, 21 , bề mặt F1, F2 và hệ số qui dẫn Cqd Khắc phục điều này trong thực tế tính toán, người ta đưa ra khái niệm mật độ công suất lý tưởng ký hiệu Wlt , và được hiểu như sau: Mật độ công suất lý tưởng của dây đốt lý tưởng , đó là dây đốt truyền nhiệt trong hệ không xảy ra tổn hao, dây đốt lý tưởng được coi là dây đốt nằm xen giữa 2 mặt phẳng song song vô tận của vật nung, lớp lót không tham gia vào trao đổi nhiệt tức tổn hao bằng 0, toàn bộ nhiệt toả ra của dây đốt đều hướng tới vật nung. Ở hệ trao đổi nhiệt này có bề mặt F1 = F2 = F = H12 ; từ đó có ϕϕ= 12 21 có công thức tính Wlt là: 44 ⎡⎤⎛⎞⎛⎞TT =−12 W5,7.lt Cqd ⎢⎥⎜⎟⎜⎟ (8) 100 100 ⎣⎦⎢⎥⎝⎠⎝⎠ Hệ số qui dẫn Cqd trong hệ dây đốt lý tưởng được tính theo biểu thức : 1 C = (9) qd 11 +−1 εε 11 47
εε Trong đó: 12, - hệ số qui đổi mức đen của các vật tham gia trao đổi nhiệt. W Cqd - hệ số qui dẫn , m20K 4 Khi coi vật bức xạ là dây đốt có nhiệt độ làm việc là Td vật hấp thụ năng lượng là vật nung có nhiệt độ là Tv, từ công thức (8) viết được: T1 = Td ; T2 = Tv và có công thức: 44 ⎡⎤⎛⎞⎛⎞TT =−dv W5,7.lt Cqd ⎢⎥⎜⎟⎜⎟ (10) 100 100 ⎣⎦⎢⎥⎝⎠⎝⎠ Công thức (10) có thể được dùng trong tính toán dây đốt với các đơn vị của các đại lượng như sau: WW CTKTK();();();W()00 qdmm20K 4 v d lt 2 Trong một số tài liệu tính toán lò điện trở khi lấy đơn vị hệ số qui ⎛⎞Kcal dẫn Cqd ⎜⎟20 4 thì hệ số qui dẫn Cqd sẽ tính theo biểu thức: ⎝⎠mh K 4,9 Kcal C = ; (11) qd 11 20 4 +−1 mhK εε 11 § 5. Tính mật độ công suất thực tế để tính toán dây đốt ở phương thức bức xạ Dây đốt bố trí trong lò điện trở, thiết bị sấy khác dây đốt lý tưởng nêu ở trên. Để tìm mật độ công suất cho dây đốt thực tế này, dựa vào mật độ công suất lý tưởng được cho trên các đồ thị kết hợp với các hệ số tính cho từng trường hợp nung nóng cụ thể. Sau đây trình bày một số phương pháp: 1. Phương pháp tính mật độ công suất theo hệ số hiệu quả và mật độ công suất lý tưởng. Mật độ công suất thực tế dùng để tính dây đốt là W được xác định theo biểu thức: 48
= α WCqd hq W lt (12) Trong đó: α hq - hệ số hiệu quả Chq - hệ số qui dẫn Wlt - mật độ công suất lý tưởng Cách xác định các thông số ở biểu thức (1) như sau: α + Tính hệ số hiệu quả hq α T heo tài liệu 1 , hq được tính cho các trường hợp cụ thể tuỳ thuộc cách kết cấu dây đốt, cách đặt dây đốt được cho trong các bảng. Bảng 1 α là một số giá trị của hq : + Tính hệ số qui dẫn Cqd Hệ số Cqd của các vật tham gia trao đổi nhiệt ở đây là dây đốt lý tưởng do đó được tính theo biểu thức đã dẫn ở trên là: 1 C = (2) qd 11 +−1 εε 12 εε 12, - hệ số qui đổi mức đen, tùy theo vật cụ thể tìm được trong tài liệu kỹ thuật nhiệt, các hệ này luôn nhỏ hơn hoặc bằng 1. α Bảng 1. Một số giá trị của hệ số hq α Dạng dây đốt, cách bố trí hq 1 Dây quấn quấn lò xo, đặt trong rãnh nửa kín 0,16 – 0,24 2 Dây đốt quấn lò xo trên thanh và ống chịu 0,30 – 0,36 nhiệt 3 Dây quấn dic dắc và dây đốt dạng thanh 0,60 – 0,72 4 Dây đốt dẹt quấn díc dắc 0,38 – 0,44 49
5 Dây đốt tấm và ống 0,56 – 0,70 + Tính mật độ công suất lý tưởng Wlt Như đã nêu ở trên Wlt là cảu dây đốt lý tưởng, theo tài liệu 1 Wlt được biểu diễn trên đồ thị theo quan hệ với nhiệt độ làm việc của dây đốt td và nhiệt độ của vật tv; Wlt (td , tv ) trong hệ nung nóng với sự tham gia các vật đen tuyệt đối. Ở đồ thị hình 1 là biểu diễn quan hệ w lt(t d ,t v ) của εε== dây đốt và vật đen tuyệt đối là dây đốt và vật nung , lúc đó 121, 1 hình1. Sự trao đổi nhiệt trong hệ này được đặc trưng bằng mật độ công suất lý tưởng Wlt, nhận thấy Wlt phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc của dây đốt td , nhiệt độ nung nóng của vật tv, có quan hệ: Wlt = f(td , tv ) được biểu diễn với các đường khác nhau, tuỳ thuộc vào nhiệt độ td , tv. 2 0 0 Về đơn vị ở H.1 Wlt (W/cm ) , td ( C ), tv ( C). Khi biết được nhiệt độ nung nóng của vật tv , chọn được nhiệt độ làm việc của dây đốt td theo H.1 , xác định được Wlt. Sau đó sử dụng công thức (13) để tính Cqd , dung bảng 1 tính được α hq và công thức (12) để tính mật độ công suất thực tế W. Chúng ta cũng có thể tính mật độ công suất thự tế theo phương pháp khác cũng thường được dùng trong tính lò điện, tuy nhiên ở phương pháp này phải biết chi tiết hơn về cấu tạo và các ảnh hưởng khác trong lò. Sau đây ta xét phương pháp đó. 50
2 Wlt W/cm 40 14 00 0 C 13 50 d 1 t 30 30 0 12 50 12 00 20 11 50 11 00 10 50 10 1 00 85 90 0 0 0 9 50 8 00 75 700 0 0 tv C 0 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 500 Hình 1. Đường biểu diễn mật độ công suất lý tưởng của dây đốt đen tuyệt đối và vật nung đen tuyệt đối 2. Phương pháp tính mật độ công suất theo các hệ số ảnh hưởng và mật độ công suất lý tưởng. Mật độ công suất thực tế dùng để tính toán dây đốt ở đây là W được tính theo biểu thức : αααα W = Wlt cphhq ( 3) αααα Trong đó các hệ số ảnh hưởng là cphhq,,, α ε = ε = c - xét tới ảnh hưởng của hệ số qui dẫn Cqd , khi hệ v d 0,8 4,9 Kcal thì có C = = 3,3 sẽ có α = 1. qd 1 1 2 0 4 c + −1 m h K 0,8 0,8 51
α α p - xét tới ảnh hưởng của kích thước vật nung, giá trị p phụ thuộc vào tỷ số của bề mặt tính toán của vật nung nóng Fv và bề mặt của tường lò, thiết bị nơi bố trí dây đốt Ft. α h - xét tới ảnh hưởng của cấu trúc dây đốt, cụ thể là ảnh hưởng của bước lò xo, bước zíc zắc. α hq - xét tới ảnh hưởng bức xạ có hiệu quả của hệ thống dây đốt. αααα Các giá trị cp,,,Γ hqthường cho trên các đồ thị hoặc bảng cho từng hệ số, xem cụ thể ở các tài liệu 2, 4 khi tính theo phương pháp này. Tính mật độ công suất lý tưởng ở trường hợp này dùng đồ thị biểu diễn quan hệ giữa mật độ công suất lý tưởng Wlt với nhiệt độ nung nóng vật tv và nhiệt độ làm việc của dây đốt td. Ta viết được W = f ( tv, td ) là quan hệ được xây dựng cho dây đốt lý tưởng trong hệ kín với các hệ số Kcal ε = ε = 0,8 và C = 3,3 như ở hình 2 v d qd m 2 h 0 K 4 Khi biết được nhiệt độ nung nóng theo yêu cầu của vật nung, sau khi đã chọn nhiệt độ làm việc của dây đốt td, theo đồ thị H.2 xác định được Wlt. Trong những thiết bị có nhiệt làm việc thấp và trung bình, sự trao đổi nhiệt chủ yếu bằng đối lưu, có sự tham gia bằng bức xạ. Lúc đó công suất truyền tải nhiệt tính được theo công thức sau: =+()()αα − P ®12lbxttF (4) Trong đó: W α - hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ®l m 2 0C α - hệ số trao đổi nhiệt bức xạ W bx m 2 0C 0 t1 - nhiệt độ làm việc của dây đốt C 0 t2 - nhiệt độ làm việc của thiết bị C F- diện tích bề mặt trao đổi nhiệt m2 . 52
2 Wlt (W/Cm) 58 1700 1650 0 C 1600 td 48 1550 40 1500 1450 32 1400 1350 24 1300 1250 20 1200 16 1150 1100 1050 12 1000 950 8 900 6 850 800 750 4 700 650 2 600 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 t 0 C v Hình 2. Mật độ công suất lý tưởng của dây đốt lý t ưởng Wlt phụ thuộc vào nhiệt độ vật nung tv và nhiệt độ dây điện trở td. α hệ số bx được xác định trong trường hợp này theo biểu thức: ⎡ T 4 T 4 ⎤ ⎛ 1 ⎞ − ⎛ 2 ⎞ 5,7Cqd ⎢⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎥ ⎢⎝100 ⎠ ⎝100 ⎠ ⎥ α = ⎣ ⎦ (5) bx − t1 t2 0 T1- nhiệt độ làm việc của dây đốt , K 0 T2 - nhiệt độ làm việc của thiết bị , K 0 t1 - nhiệt độ làm việc của dây đốt C 0 t2 - nhiệt độ làm việc của thiết bị C 53
W Cqd - hệ số qui dẫn m 2 0 K 4 từ (5) tính được nhiệt trở bức xạ như sau: 1 t − t m 2 0C r = = 1 2 , (6) tbx α 4 4 bx ⎡ T T ⎤ W ⎛ 1 ⎞ − ⎛ 2 ⎞ 5,7.Cqd ⎢⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎥ ⎣⎢⎝100 ⎠ ⎝100 ⎠ ⎦⎥ Và tính được nhiệt trở trong trường hợp truyền nhiệt trên, có tham gia nhiệt đối lưu và bức xạ là: 111 =+ (7) rrrtlbx(®+ ) tl ® tbx Trong đó: rtlbx(®+ ) - nhiệt trở của đối lưu và bức xạ rtl® - nhiệt trở của đối lưu rtbx - nhiệt trở của bức xạ Chương 6. TÍNH TOÁN PHẦN ĐIỆN DÂY ĐỐT §1. Khái niệm tính toán phần điện của dây đốt Tính phần điện của dây đốt là xác định kích thước của dây đốt, bao gồm đường kính, bề dày của dây đốt tròn, dẹt và kích thước kết cấu của dây đốt. Qua các phép tính phần nhiệt của dây đốt ở các chương trên thấy rằng, công suất truyền tải của dây đốt trong bất kỳ phương thức truyền tải nào (dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ ) đều được xác định theo biểu thức chung: t - t PF=WF = 0 rt Trong đó: t- nhiệt độ làm việc của dây đốt, 0C, nhiệt độ t này luôn phải chọn 0 nhỏ hơn nhiệt độ cho phép lớn nhất của dây đốt là tmax: t < tmax , C t0- nhiệt độ đặt của vật nung nóng, tức nhiệt độ nung nóng của vật, 0C rt- nhiệt trở tính được từ các phương thức trưyền nhiệt thực hiện mC20 trong thiết bị nung nóng W F- Bề mặt truyền nhiệt tác dụng của dây đốt, m2 Bề mặt truyền nhiệt F, tương ứng các phương thức truyền nhiệt được xác định từ biểu thức (1) như sau: 54
P.r Phương thức truyền nhiệt là dẫn nhiệt: F = td d − tt0 P.r Phương thức truyền nhiệt là đối lưu: F = tdl dl − tt0 P.r Phương thức truyền nhiệt là bức xạ: F = tbx bx − tt0 Từ đó để tính kích thước dây đốt, dùng biểu thức: P.r Δt F = t Đặt tt−=Δ t và =W − 0 tt0 rt P Có biểu thức: F = (2) W W- là mật độ công suất tính được trong phần tính nhiệt dây đốt F- bề mặt truyền nhiệt dây đốt, phụ thuộc vào kích thước dây đốt Từ biểu thức (2) tính được kích thước dây đốt tròn và dẹt như sau: §2. Tính kích thước dây đốt tròn và dẹt 1. Tính kích thước dây đốt tròn: là tính đường kính d và chiều dài l của dây đốt Công suất P do dây đốt toả ra (truyền tải) được xác định: 2 ==Ul2 ρ PIt rst I- dòng điện làm việc qua dây đốt, A ρ Ω t - điện trở suất dây đốt tại nhiệt độ làm việc, m l- chiều dài dây đốt, m s- tiết diện tròn của dây đốt, m2 Bề mặt truyền nhiệt F được biểu diễn: F = C.l C- chu vi tiết diện dây đốt, m Thay vào (2) có biểu thức: ρ .I 2r Cs. = tt Δt πd 2 Với tiết diện tròn của dây đốt, có: Cd=π ; s= 4 Cuối cùng có biểu thức tính đường kính dây đốt như sau: 4.ρρI 222rPrP 4. 4. ρ d ==33tt t t = 3 t (3) ππ22222ΔΔtUtU πw thường hay dùng biểu thức: 55
4.ρ P2 d = 3 t π 22w.U Tính độ dài l của dây đốt: 2 π 2 =U ==ρ ld Từ P với Rstt; kết hợp với công thức tính d tìm Rt s 4 được biểu thức tính l như sau: PU 2 l = 3 (4) πρ 2 4wt Đơn vị trong các công thức (3);(4) là: w mC20 ρ (ΩmP ), (w), UV ( ), W( ), r ( ), IAdmlm ( ), ( ), ( ) t mw2 t 2. Kích thước dây đốt dẹt (dây đốt băng) với dây đốt dẹt tỷ số đặc trưng qua bề mặt cắt hình bên biểu diễn bề dày dây đốt là b, bề rộng là a: a = m b Hình vẽ a b Cũng với dẫn dắt các biểu thức như đã làm với dây đốt trơn ta có: ρ 2 ttI r Cs. = 2 Δt với C = (a + b) = 2b(m + 1) ; s = a.b = m.b Cuối cùng có kết quả như sau: ρ P2 b= 3 t (5) 2(mm+ 1)wU2 mPU 2 l = 3 (6) + 22ρ 4(m 1)t w w Trong đó: ρ (ΩmP ) ; (w) ; w( ) ; U(V) ; b(m); l(m) t m2 Trong một số tài liệu kỹ thuật khi chọn đơn vị theo: 56
Ωmm2 w P(kUV w), ( ),ρ ( ), w( ), d(mm), l(m), b(mm), am ( ) m cm2 Thì có các công thức tính ở trên được viết như sau: -Với dây đốt tròn: 4.1052ρ P d = 3 t (mm) (7) π 22wU 2,5mPU 2 l = 3 (m) (8) πρ 2 4wt -Với dây đốt dẹt: 5.1042 .ρ .P b = 3 t (mm ) (9) mm(1)wU+ 2 2,5mPU 2 l = 3 (m) (10) + 22ρ (1)wm t Khi chọn đơn vị theo: w P(Kcmdmmbmmlm W),ρ (Ω ), w( ), ( ), ( ), ( ) t cm2 - Với dây đốt tròn: 4.1092 .ρ P d = 3 t (mm) (11) π 22.wU 10−32PU l = 3 (m) (12) πρ 2 4wt - Với dây đốt dẹt: 92ρ 10 t P b = 3 (mm) (13) 21wUmm()+ 2 10−32mPU l = 3 (m) (14) ()+ 2 ρ 2 41wm t §3. Tính thông số kết cấu d D h Hình 1. Quấn dây đốt kín theo lò xo d- đường kính dây đốt 57
h- bước lò xo D- đường kính lò xo A A A a H b Hình 2. Quấn dây đốt theo díc dắc A- chiều cao díc dắc H - bước díc dắc Thông số kết cấu là những giá trị h, D, A, H ở hình H1, H2 khi quấn dây đốt theo lò xo, díc dắc. Những giá trị này phải tính chọn sao cho dây đốt dễ toả nhiệt, đảm bảo bền cơ, thuận tiện trong bố trí, đồng đều Thực tế thường chọn theo kinh nghiệm, đối với từng loại dây đốt khác nhau có các thông số kết cấu khác nhau. Đưa ra một số loại dây đốt với các thông số kết cấu sau: Loại dây đốt Nicrom thương được chọn theo kinh nghiệm, với các quan hệ như sau: D = ( 8 – 10 )d Loại dây đốt hợp kim sắt nhôm có quan hệ: D = ( 5 – 8 ) d Bước lò xo thường chọn theo: H = (2 – 4 )d Số lượng vòng lò xo tính theo biểu thức; l n = (vòng) ()π D 2 + h2 D (mm), l(mm), h (mm), n ( vòng) Với loại dây đốt dẹt quấn díc dắc: A ≤ 100b H ≥ 2b Khi chọn lựa thông số kết cấu phải chú ý đến việc bố trí dây đốt trong thiết bị, lưu ý tới dây đốt phải bố trí hết, toả nhiệt tương đối đồng đều. Sau đây lấy ví dụ tính toán dây đốt cho thiết bị sấy §4. Ví dụ tính toán dây đốt Hãy tính kích thước, thời gian sử dụng, thông số kết cấu của dây đốt tròn quấn lò xo cho thiết bị sấy bằng không khí nóng có công suất định mức Pđm = 20,8 KW. Nguồn áp 3 pha có 380/220V, điều chỉnh công suất 4 cấp, mỗi cấp 25% công suất định mức. Thực hiện bằng thay đổi số 58
nhánh dây đốt trong từng pha. Nhiệt độ đầu của không khí là 180C, không mC20 khí được nung nóng lên 25 0C, nhiệt trở dây đốt là 13,5.10-3 . w Kích thước của Calorifa nói bố trí dây đốt cho phép chiều dài ống quấn dây đốt theo lò xo trong khoảng 1,0 – 1,3 m. Thời gian sử dụng dây đốt với loại Nicrom là τ ' =2000hmm / chọn dây đốt theo bảng: một số loại dây đốt hợp kim và phi kim loại. Bảng 1:Một số loại dây đốt hợp kim và phi kim loại Tỉ Điện trở Hệ số nhiệt Nhiệt độ Nhiệt độ trọng suất ở 200C điện trở làm việc nóng 3 Loại dây đốt ×10 ×Ω10−6 m ×10−−60C 1 cực đại chảy Kg/m3 ρ 0 0C 20 α C Cr20Ni80-N 8,4 1,1 16,5 1200 1400 Cr15Ni60-N 8,3 1,1 16,3 1100 1390 Cr13Al4 7,2 1,26 17,0 900 1450 Cr18Ni9T 7,9 0,71 16,6 850 1420 (thép không gỉ) Ni40Cu60 8,9 0,5 5,0 450 1270 thép ít cácbon 7,8 0,135 4500 300 1460 Cacborun 2,3 800 – 1900 Thay đổi 1500 — Graphít 1,6 8 – 13 Thay đổi 2000 — Bài làm: 1. Để điều chỉnh được 4 cấp công suất như yêu cầu, cần nối dây đốt mỗi pha có 4 phần tử nung nóng và nối theo hình sao Y như hình 1: mỗi phần tử nung nóng ký hiệu R. Mỗi phần tử R được nối với nguồn thong qua Aptômat A. A B C 380 V R R R R R R R R R R R R 59
Hình 1 2. Tính công suất cho phần tử nung nóng với mỗi pha có 4 phần tử, số phần tử là 4312×= Công suất mỗi phần tử là P P P = tb 12 Trong đó: Ptb – là công suất thiết bị Tính Ptb theo: Ptb = 1,2Pđm = 1,2.20,8 = 25KW 25 P ==2,083K W 12 Dòng điện qua phần tử nung nóng R là: P 2,083.103 I == =9,5A U 220 3. Chọn dây đốt Từ bảng dây đốt hợp kim và phi kim loại chọn loại Nicrom: Cr20Ni80-N có các thông số: ρα=Ω=−−−66010 = 201,1.10mCtC , 16,5.10 ,m ax 1200 0 0 Chọn nhiệt độ làm việc của dây đốt tlv = 700 C < tmax = 1200 C 4. Tính điện trở suất ρ ρρ=+− α()t t 20 ⎣⎦⎡⎤120t −−66 ρ =+⎡⎤() − t 1,1.10⎣⎦ 1 16,5.10 700 20 ρ =Ω−6 t 1,112.10 m 5. Tính kích thước d và l Theo công thức đã dẫn ở trên có −632 4ρ P2 4.1,112.10 .() 2,083.10 d ==3 t 3 ππ22wU 2 .220 2 .50.10 3 dmmm==0,94.10−3 0,94 700.25 w w== 50.103 13,5.10-3m 2 23 ==PU 2,083.10 .220 = lmm3 3 14,52 πρ 2 −632 4wt 4π .1,112.10 .() 50.10 6. Hiệu chỉnh dây đốt 60
Trong công nghiệp dây đốt có đường kính d = 0,94 mm không có nên chọn d = 0,90 mm điều đó làm thay đổi điện trở R của phần tử nung nóng dó đó để đảm bảo điện trở không thay đổi cần thay đổi chiều dài sao cho: Rd = 0,94 = Rd = 0,90 Từ đó có quan hệ: ll ρρ0,94= 0,90 tt ss0,94 0,90 ldπ 2 /4 lsl==0,94 0,94 0,90sd 0,9 0,94 π 2 /4 Có 0,94 0,90 0,902 lm==14,52. 13,3 0,90 0,942 Vậy khi giảm đường kính phần tử nung nóng thì phải giảm bớt chiều dài. Kích thước của phần tử nung nóng tính chọn được là: d = 0,90 mm, l = 13,3 m 7. Kiểm tra lại công suất của phần tử nung nóng đã chọn 22l Ptb = 12.P = 12.IR= 12. I .ρ . t s 26− 13,3 = Ptb = 12.9,5 .1,112.102 12.20,992W=251,904W π ()0,90.10−3 4 So với Ptb = 25 KW công suất do dây đốt cung cấp đảm bảo yêu cầu 8. Thông số kết cấu của dây đốt Với loại dây đốt Nicrom chọn theo: D = ( 8- 10 )d chọn D = 10d = 10.0,90 = 9mm Bước lò xo h = (2 -4 )d chọn h = 3d = 3.0,90 = 2,7mm l 13,3.103 Số vòng lò xo: n == =468 vòng ()ππDh22++22().9 2,7 9. Thời gian sử dụng dây đốt: ττ==K.'dh 1.1200.0,9 = 1800 10. Chiều dài của ống lò xo dây đốt: l = 2,7.468.10-3 = 1,263 m so với chiều dài cho phép từ 1 – 1,3 m là đạt yêu cầu khi bố trí trong Calorife §5. Các phương pháp tính gần đúng 61
Trong tính toán kích thước dây đốt như đã trình bày ở mục tiêu trên, khó khăn nhất là phải xác định nhiệt trở rt từ đó tính được mật độ công suất W. Trong thực tế, ở những trường hợp cho phép có thể tính kích thước dây đốt theo những kết quả thu được trong kinh nghiệm và thực nghiệm. Đó là phương pháp gần đúng. Sau đây đưa ra một số phương pháp: 1. Phương pháp gần đúng tính kích thước dây đốt theo mật độ dòng điện và dòng điện làm việc: Có thể dùng phương pháp này để tính kích thước dây đốt với sai số tương đối lớn hoặc mang tính định hướng. Thứ tự thực hiện như sau: a. Tính dòng điện làm việc của dây đốt: I P I = tb®m nU Trong đó: Ptbđm – là công suất thiết bị định mức, W tính theo Ptbđm = 1,2Pđm Pđm – công suất hữu ích trong một pha n- số nhánh dây đốt trong một pha U - điện áp pha trên nhánh dây đốt dây đốt. I- dòng điện làm việc. b. Dựa vào mật độ dòng điện cho phép Jcp của từng loại dây đốt, được cho trong các bảng để tính tiết diện dây đốt s theo: I πd 2 4s s = với s = từ đây tính được d : d = π Jcp 4 Tính chiều dài dây đốt l: l UUs22 Với R = ρ . mà Rl==; t ρ s PPtb®m tb ®m . t Trong đó: U (V), s( m2 ), P (W), l (m) c. Mật độ dòng điện cho phép của từng loại dây đốt thường được cho trong phạm vi khá rộng. Trong tính toán cần chọn sao cho hợp lý và phải tính một số lần. 2 Ví dụ: với loại dây đốt Nicrom : Jcp = (5 – 30) A / mm 2 Với loại dây đốt là thép: Jcp < 15 A /mm Nói chung đây là phương pháp tính toán đơn giản, sai số nhiều nên thường dùng để tính định hướng và kiểm tra sự bộ. 2. Phương pháp gần đúng tính kích thước dây đốt theo dòng điện làm việc I và nhiệt độ tính 62
toán ttt Nội dung của phương pháp này là bằng thực nghiệm lập được quan hệ giữa dòng điện làm việc I của dây đốt và nhiệt độ làm việc của dây đốt cho từng loại dây đốt trong điều kiện tiêu chuẩn. Khi tính dây đốt làm việc ở khác điều kiện tiêu chuẩn thì cần nhân nhiệt độ làm việc ký hiệu tlv với hệ số và được nhiệt độ tính toán ký hiệu ttt. Dựa vào ttt và I của dây đốt trong bảng sẽ có đường kính dây đốt. Trong thực tế, dây đốt loại Nicrom được sử dụng nhiều trong thiết kế lò điện, thiết bị sấy Đã lập được quan hệ giữa kích thước đường kính dây đốt d(mm) và nhiệt độ tính toán ttt và việc lập bảng được thực hiện trong điều kiện tiêu chuẩn là: Dây đố được kéo căng theo phương ngang ở môi trường không khí tĩnh và ở nhiệt độ 200C. Xem bảng 1 Bảng 1: Quan hệ giữa đường kính dây đốt d(mm) với dòng làm việc 0 cho phép I và nhiệt độ tính toán ttt C Dòng điện làm việc của dây đốt Nicrom tương ứng nhiệt độ nung nóng tính toán ttt của dây đốt trong điều kiện dây đốt treo ngang trong không khí tĩnh ở nhiệt độ 200C Đường Tiết 0 kính diện Dòng điện làm việc cho phép ở nhiệt độ tính toán ttt C dây mm2 đốt 200 400 600 700 800 900 1000 mm 5 19,6 52 83 105 124 146 173 206 4 12,6 37 60 80 93 110 129 151 3 7,07 22,3 37,5 54,5 64 77 88 102 2,5 4,91 16,6 27,5 40 46,6 57,5 66,5 73 2 3,14 11,7 19,6 28,7 33,8 39,5 47 51 1,8 2,54 10 16,9 24,9 29 33,1 39 43,2 1,6 2,01 8,6 14,4 21 24,5 28 32,9 36 1,5 1,77 7,9 13,2 19,2 22,4 25,7 30 33 1,4 1,54 7,25 12 17,4 20 23,3 27 30 1,3 1,33 6,6 10,9 15,6 17,8 21 24,4 27 1,2 1,13 6 9,8 14 15,8 18,7 21,6 24,3 1,1 0,95 5,4 8,7 12,4 13,9 16,5 19,1 21,5 1 0,785 4,85 7,7 10,8 12,1 14,3 16,8 19,2 0,9 0,636 4,25 6,7 9,35 10,45 12,3 14,5 16,5 63
0,8 0,503 3,7 5,7 8,15 9,15 10,8 12,3 14 0,75 0,442 3,4 5,3 7,55 8,4 9,95 11,25 12,85 0,7 0,385 3,1 4,8 6,95 7,8 9,1 10,3 11,8 0,65 0,332 2,82 4,4 6,3 7,15 8,25 9,3 10,75 0,6 0,342 2,52 4 5,7 6,5 7,5 8,5 9,7 0,55 0,238 2,25 3,55 5,1 5,8 6,75 7,6 8,7 0,5 0,195 2 3,15 4,5 5,2 5,9 6,75 7,7 0,45 0,159 1,74 2,75 3,9 4,45 5,2 5,85 6,75 0,40 0,126 1,5 2,34 3,3 3,85 4,4 5 5,7 0,35 0,096 1,27 1,95 2,76 3,3 3,75 4,15 4,75 0,3 0,085 1,05 1,63 2,27 2,7 3,05 3,4 3,85 0,25 0,049 0,84 1,33 1,83 2,15 2,4 2,7 3,1 0,2 0,0314 0,65 1,03 1,4 1,65 1,82 2 2,3 0,15 0,0177 0,46 0,74 0,99 1,15 1,28 1,4 1,62 0,1 0,00785 0,1 0,47 0,63 0,72 0,8 0,9 1,0 Bảng 2. Chỉ ra ảnh hưởng giữa môi trường lên dây đốt qua hệ số FC Thứ tự Loại dây đốt KC 1 Dây đốt quấn lò xo treo trong không khí tĩnh 1 Dây đốt căng trong không khí tĩnh 2 Dây đốt quấn lò xo trong không khí động 1,1- 1,5 3 Dây đốt ngâm trong nước 2,5 4 Dây đốt ngâm trong dòng chất lỏng 3 – 3,5 chuyển động Bảng 3. Chỉ ra ảnh hưởng của cách đặt dây đốt qua hệ số KM Thứ tự Loại dây đốt KM 1 Dây đốt căng ngang trong không khí tĩnh và động 1 2 Dây đốt quấn lò xo trong không khí tĩnh và động 0,8 – 0,9 3 Dây đốt quấn lò xo treo trên tựa chịu 0,6 – 0,7 sát tường trong không khí tĩnh 4 Dây đốt nẵm giữa hai lớp cách điện 0,5 dẫn nhiệt 64
5 Dây đốt nằm giữa hai lớp cách điện 0,3 – 0,4 dẫn nhiệt lớn Thứ tự tính toán như sau: 1. Tính dòng điện làm việc của dây đốt: I P I = tb®m nU Trong đó: Ptbđm – là công suất thiết bị định mức(W), tính theo Ptbđm = 1,2Pđm Pđm – công suất hữu ích trong một pha n- số nhánh dây đốt trong một pha U - điện áp pha trên nhánh dây đốt dây đốt. 2. Chọn loại dây đốt trong bảng ‘’Một số dây đốt hợp kim và phi kim loại’’ 3. Chọn nhiệt độ làm việc của dây đốt tlvdđ Chọn theo tlv lò < tlv dđ < tmax Trong đó: tlv lò - nhiệt độ làm việc của lò tlv dđ - nhiệt độ làm việc của dây đốt tmax - nhiệt độ làm việc cực đại của dây đốt 4. Tính nhiệt độ tính toán ttt theo: ttt = KC.KM.tlvdđ Trong đó: KC - chỉ ảnh hưởng của môi trường đặt dây đốt KM - chỉ ảnh hưởng của điều kiện đặt dây đốt KC, KM đã cho trong các bảng 3, bảng 4 5. Dựa vào bảng 2 theo dòng điện làm việc I và ttt chọn đường kính dây đốt d 6. Tính chiều dài dây đốt l Us2 l = ρ P. t 2 ρ ()Ω Với U (V), P (W), s (m ), l (m), t m 7. Hiệu chỉnh kích thước dây đốt 8. Kiểm tra công suất dây đốt 9. Tính kích thước kết cấu. 65
VD: Lò điện có công suất Ptbđm là 2 KW nguồn áp 1 pha 220 V, dây đốt quấn lò xo treo trên tựa chịu nhiệt sát tường trong không khí tĩnh. Bố trí theo 4 nhánh để tiện điều chỉnh mỗi nhánh 25% công suất, nhiệt độ làm việc của lò là 3500C. Bài làm: 1.Vẽ sơ đồ bố trí dây đốt hình 1 I R R RR Hình 1 2. Chọn vật liệu dây đốt vì nhiệt độ làm việc của thiết bị không khí tĩnh là 0 350 C nên chọn loại Cr15 Ni60 – N rẻ tiền hơn. Có: ρ =Ω1,1.10−6 (m ) 20 α = 16,3.10−−60 (C 1 ) 0 0 3. Chọn nhiệt độ làm việc của dây đốt tlvdđ = 600 C tlv lò = 350 C. 4. Tính dòng điện làm việc: 2.103 I ==2,27A 4.220 5. Tính nhiệt độ tính toán ttt ttt = KC.KM.tlvdđ Theo điều kiện đã cho ở đầu bài chọn KC = 1, KM = 0,7 có 0 ttt = 1.0,7.600 = 420 C 6. Chọn đường kính dây đốt d Dựa vào bảng 2 không co 420 0C, có thể chọn 4000C vì 400 0C> 350 0C nhiệt độ làm việc của thiết bị. 0 Dòng điện làm việc của dây đốt Ilvdđ = 2,27 A không có ở 400 C, có thể chọn 2,34A tương ứng có d = 0,4 mm 7. Tính chiều dài dây đốt l: 66
Us2226220 .π .0,4 .10− l == P.ρ 2 36−− 6 t .10 .1,1.10() 1+− 16,3.10() 600 20 4 4 lmm=≈10,96 11 8. Kiểm tra lại công suất U 2 PP==4. 4. tb®m 1 nh ¸nh R l − 11 Với R ==ρ . 1,108.106 . =Ω 0,75 t s 0,125.10−6 2202 P ==4. 1985,6W so với 2000 W là kết quả chấp nhận tb®m 0,75 được. 9. Tính kích thước kết cấu Với loại dây đốt Cr- Ni D = ( 8 – 10)d, chọn D = 10d = 10.0,4 = 4mm h = ( 2- 4 )d, chọn h = 4.0,4 = 1,6 mm Số vòng lò xo tính theo: l 11.103 nv== =869 ßng ()ππDh22++22().4 1,6 § 6. Tính toán dây đốt kín 1. Phân loại một số loại dây đốt kín Dây đốt kín đã nói về cấu tạo ở phần trên. Đây là loại dây đốt được bọc bởi vỏ kim loại là thép không rỉ, đồng, đồng thau, thép cacbon kim loại CT10 – CT20 phần tử nung nóng là hợp kim Nicrom. Ưu điểm của dây đốt kín là vừa nung nóng trực tiếp, vừa nung nóng gián tiếp và được dùng nhiều trong nung nón đun nước, dung dịch, dầu mỡ hoặc làm dây đốt thiết bị sấy, loại dây đốt kín tăng an toàn trong sử dụng, bền chắc, tằng thời gian sử dụng Nhiệt độ làm việc có thể đạt 700 0C hoặc cao hơn Sau đây xem xét một số loại dây đốt kín do Nga sản xuất. Trong công nghiệp phổ biến các loại có một số thông số kỹ thuật sau: Công suất từ 15 W đến 15 KW Chiều dài triển khai từ 250 mm đến 6300 mm Đường kín ngoài từ 7 mm đến 19 mm Nguồn áp từ 12 mV đến 380 mV 67
Tính toán nhiệt loại dây đốt này đã trình bày ở phần trên trong mục đích tính toán nhiệt truyền nhiệt bằng phương pháp dẫn nhiệt. Cụ thể hơn xem trong những tàì liệu chuyên ngành. Ở đây sẽ tính lựa chọn dây đốt kín theo yêu cầu nung nóng trong công nghiệp. 2. 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, nội dung như sau: Mật độ công suất truyền tải của dây đốt kín đó là công suất của tải nhận được từ đơn vị diện tích bề mặt của dây đốt. Giá trị của mật độ công suất truyền tải phụ thuộc vào điều kiện làm việc của dây đốt, vào vật liệu vỏ bọc dây đốt, vào môi trường nung nóng. Người ta cho mật độ công suất truyền tải của dây đốt kín trong bảng 1, khi tính chọn dây đốt theo điều kiện đã biết chọn được mật độ công suất truyền tải, dựa vào đó để tính chọn dây đốt. Sau đây đưa ra thứ tự tính toán như sau: 1. Tính công suất hữu ích của thiết bị Ph theo các công thức ở chương 2 Tính công suất tính Ptt và Ptb theo P P = h tt η Ptb = (1,05 – 1,10 ) Ptt hoặc Ptb = 1,2 Ph η - hiệu suất thiết bị Ptb – công suất thiết bị Khi cần tăng thời gian sử dụng và dảm 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 %. 2. Từ bảng 1 theo điều kiện làm việc chọn được mật độ công suất cho phép Wcp 3. Tính diện tích tác dụng bề mặt Ftd P = tb Ftd Wcp 4. Từ bảng 2 – các thông số kỹ thuật của một số loại dây đốt kín dạng ống, chọn dây đốt theo điều kiện đã cho, cần căn cứ theo điều kiện làm việc và kích thước của thiết bị mà chọn dây đốt hợp lý. Từ dây đốt chọn được ta có thông số để tính diện tích bề mặt tác dụng của nó, tính cho một ống theo: = π −32 F1tddl 10( td m ) Trong đó: 2 F1td – bề mặt tác dụng của một ống dây đốt , m 68
d- đường kính dây đốt , mm ltd - độ dài tác dụng của một ống dây đốt, m Sau đó tính số lượng dây đốt cần thiết n theo F n = td F1td Bảng 1. Mật độ công suất truyền tải của dây đốt kín Môi trường nung Đặc điểm và Vật liệu bọc Mật độ công nóng điều kiện nung ngoài của dây suất tải cho phép 2 nóng đốt kín Wcp (W / cm ) Nước Nung nóng và Đồng, đồng 9 -11 tạo hơi thau, thép không rỉ Không khí Nung nóng trong Thép CT 10- 1,2 – 1,8 môi trường tĩnh CT 20, đồng 2,3 – 5,0 thau, thép không rỉ Không khí Nung nóng trong Thép Ct 10- CT 4,5 – 5,0 môi trường 20 , thép không 5 – 5,5 không khí động rỉ Dung dịch Nung nóng trong Thép không rỉ 1,5 – 2,0 ( sữa ) thùng Các loại bếp Dây đôt bọc Thép CT 10- 5,0 – 7,0 điện, lò điện trong vỏ kim CT 20 loại Bảng 2. Các thông số kỹ thuật của một số loại dây đốt kín dạng ống Loại dây đốt Công suất Điện áp Chiều dài Đường kính kín định mức, định mức, triển khai, m ngoài, mm KW V Nung nóng không khí tĩnh và động tới nhiệt 250 ÷ 350 0C TэH – 01 0,57 1,71 TэH – 02 0,40 0,90 TэH – 05 0,40 1,32 TэH – 07 0,45 220 1,82 13,5 TэH – 13 0,60 2,476 TэH – 15 0,56 1,584 TэH – 17 0,35 1,10 TэH – 21 0,80 220 1,742 220 TэH – 23 0,50 1,32 69
TэH – 30 0,50 1,113 TэH – 31 0,50 1,113 Nung nóng nước và dung dịch tới nhiệt độ sôi TэH – 03A 3,5 0,99 TэH – 06A 0,8 0,43 TэH – 08A 2,33 0,685 TэH – 09A 1,8 0,685 TэH – 10A 2,0 220 0,995 TэH – 11 0,3 0,910 TэH – 12 5,0 1,487 TэH – 14 2,67 0,79 TэH – 16 1,33 0,57 TэH – 18 1,2 1,665 13,5 TэH –19A 2,33 0,64 220 TэH – 20 1,5 1,93 TэH – 20A 1,0 0,805 TэH – 22 1,2 1,063 TэH – 24 1,93 1,74 TэH – 25 1,93 1,63 TэH – 29 2,0 0,995 TэH – 32 3,6 1,10 TэH – 33 1,2 1,27 TэH – 39 1,5 1,125 TэH – 43 1,2 1,575 Nung nóng nước và dung dịch tới 100 0C HB – 3,9/6,0 2,0 220 (380) Trong 3 pha HB – 4,8/7,5 2,5 220,(380) 2,0 HB – 5,4/9,0 3,0 220 (380) 2,0 16 HB – 6,3/10,5 3,5 220 (380) 2,0 HB – 6,9/12,0 4,0 220,(380) 2,0 HB –7,8/15,0 5,0 220 (380) 2,0 HB - 0,75/0,5 0,25 0,375 HB – 1,0/1,0 0,5 0,50 HB – 1,5/2,0 1,0 0,75 13 HB – 2,0/3,0 1,2 1,0 13 70
HB – 2,5/4,0 2,0 1,25 13 HB – 3,0/5,0 2,5 1,5 13 HB – 3,5/6,0 3,0 220 1,75 16 HB – 4,0/7,0 3,5 2,0 16 HB – 4,5/ 8,0 4,0 2,25 16 HB – 5,0/10,0 5,0 2,5 16 HB – 0,65/1,2 1,2 0,65 16 HB – 1,0/3,5 3,5 1,9 HB – 1,25/1,2 1,2 1,25 16 13 16 16 Nung nóng dầu mỡ tới 200 0C TэH – 26 2,8 1,903 TэH – 27 2,8 220 1,804 13,5 TэH – 28 2,8 1,70 Sấy và nung nóng * TэH – 37 0,50 1,10 0,45 220 1,71* 13,5 1,25 1,30* + ) Ví dụ tính toán dây đốt kín Cần tính chọn dây đốt kín để nung nóng trực tiếp sữa trong thùng có chiều cao 0,7 m, khối lượng cần nung nóng là 50 kg từ nhiệt độ 10 0C đến 30 0C, tỷ nhiệt của sữa là 3,92 KJ / kg 0C, thời gian nung nóng lò 30 phút. Hãy chọn dây đốt dạng ống, nguồn áp ba pha 380 /220V, chọn hiệu suất thiết bị η = 0,90 + Thứ tự tính toán: 1. Tính công suất: Tính công suất hữu ích: mc() t− t 50.3,92.103 (30− 10) P ==0 =2,18K W h τ 30.60 Tính công suất tính toán: 2,18 P ==2,422K W tt 0,90 Chọn Ptb = 1,05 KW = 1,05. 2,422 = 2,56 KW 2. Chọn dây đốt kín có vỏ ngoài là thép không rỉ để đun nóng trực tiếp vào sữa 71
2 Theo bảng 1: mật độ công suất tải chọn là Wcp = 2 W/cm 3. Bề mặt truyền nhiệt tối thiểu của dây đốt là Ftd P 3 ==tb 2,56.10 =22 = Ftd 1280cm 0,128 m W2cp 4. Từ bảng 2 chọn dây đốt kín do Nga sản suất loại TэH 33 có độ dài triển khai là 1,27 m , đường kính d = 13,5 mm. Khi chọn chú ý tới kích thước của thùng là 0,7 m TэH- 33 là dây đốt hình chữ U, có chiều dài triển khai là 1,27m độ cao đặt vào thùng khoảng 0,63m nhỏ hơn chiều cao thùng 0,7 m là hợp lý. 5. Tính diện tích tác dụng của một dây đốt F1td Độ dài tác dụng của dây đốt nhỏ hơn độ dài triển khai là 5% chiều dài triển khai do đó tính được độ dài tác dụng là: ltd = 1,27.0,05.1,27 = 1,2 m Bề mặt tác dụng có diện tích là: F1td ==ππ −32 = F1tddl. td .13,5.10 .1,2 0,051 m 6. Số lượng dây đốt TэH- 33 là n F 0,128 n ==td =2,51 ống F1td 0,051 Chọn 3 ống TэH – 33 Bố trí dây đốt như hình 1 Ba dây đốt TэH – 33 có vỏ thép không rỉ có dạng chữ U, công suất mỗi dây đốt là 1,2 KW, áp 220 V. Ba dây đốt được nối sao vào nguồn ba pha có áp 380/220 V như hình 1 A B C O D©y ®èt kÝn Thïng Hình 1 72
CHƯƠNG 6. NUNG NÓNG TRỰC TIẾP §1. Nung nóng trực tiếp và ứng dụng 1. Nung nóng trực tiếp: được thực hiện khi cho dòng điện trực tiếp đi qua vật được nung nóng. Xét nguyên lý làm việc của phương pháp nung nóng trực tiếp: Ở hình 1 thực hiện nung nóng trực tiếp chi tiết máy có dạng trụ 1 2 3 4 3 2 1 U Hình 1. 1. Đầu kẹp 2. Chi tiết máy có dạng trụ 3.Máy biến áp có cấp điều chỉnh điện áp Từ máy biến áp với áp vào là U, hạ điện áp xuống cấp trực tiếp vào chi tiết máy thông qua đầu kẹp 1, chi tiết được nung nóng bằng dòng điện qua nó theo QIR= 2 τ , do điện trở của chi tiết nhỏ nên dòng qua chi tiết cần rất lớn để đủ năng lượng nung nóng chi tiết, đầu tiếp xúc thường bằng đồng nguyên chất để giảm điện trở tiếp xúc. Có thể dùng dòng xoay chiều và một chiều. Thực tế chỉ dùng dòng xoay chiều bởi dòng điện cần để nung nóng có thể đạt hàng trăm hàng nghìn ampe. Nguồn áp đưa vào chi tiết nhỏ từ vài vôn tới 12 – 24 V. Một trong những khó khăn của phương pháp này là việc đưa dòng điện vào chi tiết phải qua đầu kẹp 1 ở hình 1. Điện trở tiếp xúc thường lớn và có khi bằng hoặc lớn hơn điện trở chi tiết. Đó là nhược điểm lớn của phương pháp này. Do điện trở tiếp xúc lớn so với điện trở chi tiết do đó sự phân bố nhiệt theo chiều dài không đều trên chi tiết. Để giảm điện trở tiếp xúc thường dùng thiết bị kẹp thuỷ 73
lực hoặc khí nén, ngoài ra để giảm nhiệt độ ở vùng tiếp xúc người ta dùng nước để làm mát đầu kẹp. 2. Lĩnh vực ứng dụng Những ứng dụng chính của phương pháp này là: - Nung trực tiếp các chi tiết kim loại có hình dạng không phức tạp ví dụ ống, trục, lò xo . - Hàn các chi tiết bằng phương pháp nung nóng trực tiếp còn gọi là phương pháp tiếp xúc. - Nung nóng chảy khi cần khôi phục các chi tiết kim loại bị ăn mòn - Nung nóng các ống kim loại để nung nóng chất lỏng, hoặc để làm tan băng. 3. Ưu nhược của phương pháp nung tôi trực tiếp: + )Ưu điểm: - Phương pháp này có tốc độ nung nóng cao (từ 10 – 40 0C /s). Do đó trong nung tôi chi tiết kim loại khi yêu cầu tốc độ nung nóng cao thì phương pháp này cho phép nung tôi được chi tiết có chất lượng cao hơn trong lò điện trở. - Phương pháp này đa năng hơn so với phương pháp cảm ứng vì ở phương pháp cảm ứng mỗi lần vật nung có hình dạng khác là phải thay đổi cuộn cảm ứng cho hợp với vật nung. - So với nung trong lò điện trở, thì độ cháy sém, độ bị oxy hoá giảm 9 -10 lần. - Cho phép cải thiện điều kiện làm việc. + ) Nhược điểm: - Chỉ nung nóng được chi tiết có hình dạng đơn giản - Dòng điện nung nóng lớn gây khó khăn cho bộ nguồn - Điện trở tiếp xúc giữa các chi tiết và đầu kẹp lớn - Mỗi lần nung là phải cặp gá chi tiết. § 2. Tính toán theo phương pháp nung nóng trực tiếp Ở đây đưa ra trường hợp tính toán nung nóng chi tiết máy bằng phương pháp trực tiếp để trình bày ứng dụng của phương pháp này: Ví dụ : Hãy nung nóng chi tiết máy là trục máy có khối lượng m, tỷ nhiệt c từ nhiệt độ t0 lên nhiệt độ t trong thời gian τ . Tính chọn máy biến áp, điện áp đặt lên chi tiết. Thứ tự tính toán như sau: 1. Tính công suất hữu ích Ph 74
mC ( t− t ) P = 0 (1) h τ 2. Tính thời gian nung nóng τ Δ−mC () t t Dùng công thức : τ = 0 (2 ) ΔP Trong đó: Δm - khối lượng riêng của vật nung tính cho một đơn vị dài kg/m ΔP - công suất riêng tính cho đơn vị dài vật nung, giá trị này được cho theo kinh nghiệm và có giá trị trong khoảng chọn, đối với thép KW hợp kim là Δ=P (160 − 250) m C- tỷ nhiệt của vật nung KJ/kg 0C t- nhiệt độ nung nóng của vật, 0C 0 t0- nhiệt độ đầu của vật nung , C τ - thời gian nung nóng, s 3. Chọn máy biến áp nung nóng Máy biến áp nung nóng cấp điện áp cho vật nung làm việc theo chế độ ngắn hạn lặp lại, đặc trưng bằng hệ số tiếp điện: TĐ % ( hoặc kí hiệu TĐ): τ T§%=lv .100 (3) ττ+ lv n τ lv - thời gian làm việc τ n - thời gian nghỉ ứng thời gian thay vật nung nóng mới τ Hoặc có thể tính T§= lv ττ+ lv n Máy biến áp có công suất tính theo biểu thức: = SSTtt § (4) Trong đó: Stt – công suất tính toán của máy biến áp S – công suất biểu kiến của máy biến áp K P S được tính theo: S = zh (5) ηϕ.osc Ph – công suất hữu ích tính theo (1) Kz - hệ số dự phòng, thường chọn trong khoảng Kz = 1,10 – 1,15 ηϕ,osc - hiệu suất và hệ số công suất của phương pháp nung nóng trực tiếp. l Giá trị ηϕ,osc được tính theo quan hệ với tỷ số đã được lập sẵn theo d 2 kinh nghiệm bằng đồ thị hình 1 75