CHƯƠNG I CƠ SỞ VẬT LÝ – KỸ THUẬT CỦA ĐIỆN NHIỆT -oOo - 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐIỆN NHIỆT VÀ CÁC BIỆN PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN NHIỆT Khái niệm điện nhiệt xuất nhiều trình công nghệ khác sản xuất công nghiệp Ý nghóa chủ yếu việc cấp nhiệt cho vật liệu sản phẩm khác nhờ lượng điện Ưu điểm phương pháp cấp nhiệt nhờ lượng điện : Có khả thu hẹp phạm vi sử dụng môi trường xung quanh công tác Điều chỉnh nhiệt độ chuẩn xác, tạo dòng nhiệt tập trung với mật độ cao tạo nhiệt trường cần thiết không gian cấp nhiệt Có khả kiểm tra nghiêm ngặt điều chỉnh xác nguồn lượng tiêu thụ Có khả cấp nhiệt cho vật liệu sản phẩm nằm môi trường có thành phần hoá học khác chân không Có khả tạo nhiệt độ từ thân vật thể cần đốt nóng Ngoài trình điện nhiệt cho phép tiết kiệm nguyên liệu đốt giảm số lượng nhân viên phục vụ Có biện pháp biến đổi điện nhiệt sau : a Đốt nóng nhờ điện trở : theo đònh luật joule, có dòng điện chảy qua vật dẫn điện, tổn hao lượng vật dẫn điện chuyển hoá dạng nhiệt, tỏa môi trường xung quanh Biện pháp sử dụng thiết bò điện nhiệt tác động trực tiếp gián tiếp b Đốt nóng nhờ cảm ứng: dựa sở biến đổi lượng trường điện từ thành nhiệt nhờ việc gây vật thể dòng điện xoáy (Foucalts) việc nhiệt sinh vật thể tuân thủ theo đònh luật joule c Đốt nóng nhờ điện môi : vật thể cách điện bán dẫn đặt điện trường tần số cao, xuất hiện trường phân cực Tổn hao dòng điện dẫn chuyển dòch chuyển hoá thành nhiệt d Đốt nóng nhờ hồ quang điện : vật thể đốt nóng la ødo hồ quang điện trao đổi ions – electrons điện cực e Đốt nóng nhờ plasma : chất khí bò ion hoá nhiệt độ hồ quang từ trường điện trường tần số cao, nhận plasma nhiệt độ thấp dùng cấp nhiệt cho vật khác f Đốt nóng nhờ chùm tia electrons : nhiệt sinh chùm tia electrons gia tốc điện trường va đập lên bề mặt vật thể g Đốt nóng nhờ tia laser : bề mặt vật thể đốt nóng hấp thu luồng ánh sáng đơn sắc mật độ cao, gọi tia laser Tia laser máy phát laser tạo 1.2 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG CÁC LÒ ĐIỆN : Để chế tạo thiết bò điện nhiệt người ta phải sử dụng hàng loạt vật liệu đặc biệt có khả chòu đựng nhiệt độ cao Gạch chòu lửa : Là vật liệu tảng để tạo lò nhiệt thiết bò nhiệt khác Gạch chòu lửa có khả chòu nhiệt độ cao (trên 1200 0K) có khả đảm bảo yêu cầu sau : - Tính chòu lửa : không bò biến dạng nóng chảy tác động nhiệt độ cao Có thể phân chia thành cấp chòu lửa sau : cấp thứ gọi chòu lửa (1580 – 1770 0K), cấp thứ hai : chòu lửa cao (1770 – 20000K), cấp thứ ba : siêu chòu lửa (cao 20000K) Vật liệu có tính chòu lửa thất 1580 0K gọi vật liệu cách nhiệt - Độ bền : thể sức chòu đựng tải trọng 20Kpa nhiệt độ làm việc tối đa, vật liệu bắt đầu bò biến dạng - Độ bền nhiệt : thể khả chòu đựng vật liệu không bò hư hại có biến đổi đột ngột nhiệt độ - Tính trung tính hoá học : để không làm hư hại sản phẩm nung lò tác động ăn mòn hóa học - Tính dẫn điện thấp : thông thường vật liệu chòu lửa lò điện phải đồng thời vật liệu cách điện để lắp đặt phần tử điện trở đốt nóng bên - Tính dẫn nhiệt thấp : Để có giảm tổn hao nhiệt bên thành lò mà không cần phải cấu tạo thành lò dày Các loại gạch chòu lửa sau có khả đảm bảo hầu hết yêu cầu nêu : gạch chòu lửa chế tạo từ đất sét có chứa SiO (20000K), chứa Al2O3 (23000K), chứa MgO (26000K), gạch samôt (20000K) Đối với lò nấu chảy vật liệu hợp kim khó nóng chảy phải sử dụng vật liệu chòu lửa quý ZrO (28000K), BeO (28700K), ThO2 (33000K), … Trong năm gần đây, người ta thường sử dụng vật liệu chòu lửa dạng tấm, miếng ép từ sợi nhân tạo rút ngắn thời gian công lao động khoảng 10% so với vật liệu cổ điển Vật liệu sợi chòu lửa bao gồm : SiO2 – ZrO2, SiO2 – BeO, SiO2 – ThO2, Al2O3 – SiO2, chúng chòu đựng nhiệt độ từ 13000K – 18000K Vật liệu cách nhiệt : Chúng cần phải có hệ số dẫn nhiệt thấp chòu lửa tương đối tốt Các vật liệu cách nhiệt thường có dạng xốp, nhẹ sản phẩm có nhiều lỗ bọng dạng ép tự hạt có kích thước tương đối lớn Các vật liệu cách nhiệt thường gặp diatomit, thủy tinh, thủy tinh bọt hổ phách Vật liệu chòu nhiệt : Là vật liệu có độ bền cao điều kiện nhiệt độ cao Chúng phải bền vững phản ứng hoá học xảy điều kiện nhiệt độ cao Các vật liệu chòu nhiệt thường có sở sắt cộng thêm số chất phụ đặc biệt luyện Các chất phụ chrome, nhôm, nickel, …, chúng có tác dụng làm cho hợp kim chòu đựng tác động ăn mòn hóa học điều kiện nhiệt độ cao Thép chrome – nickel với thành phần chrome chiếm khoảng 18% nickel 9% dùng lò điện nhiệt có nhiệt độ làm việc đạt 11000K, tăng tỷ lệ nickel lên 20 – 25% làm tăng khả chòu nhiệt hợp kim lên đến 13000K Đối với lò điện nhiệt độ cao, vật liệu chòu nhiệt dùng : molibden, wolfram Chúng làm việc môi trường khí bảo vệ argon, nitrogen, hydrogen, … CHƯƠNG CÁC THIẾT BỊ ĐỐT NÓNG BẰNG ĐIỆN TRỞ -oOo 2.1 BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA ĐIỆN TRỞ: Dòng điện chuyển động có hướng điện tích dương âm tác động điện trường Trong vật chất có cấu trúc mạng nguyên tử (kim loại chất rắn khác), dòng điện dòng chuyển động electrons tự phía dương cực (anode), dòng chuyển động electrons chân không (các electrons phát xạ từ điện cực, từ kim loại từ vật liệu khác đặt điện trường) Các vật chất dẫn điện nhờ chuyển động electrons gọi vật chất dẫn điện loại Các môi trường dẫn, dòng điện tạo nhờ chuyển động ion dương âm gọi vật chất dẫn điện loại (chất điện phân, dung dòch hoá học, …) Plasma có tính dẫn điện hỗn hợp Trong vật chất có cấu trúc mạng nguyên tử, số lượng electrons tự chuyển động hỗn loạn bên mạng lớn, ví dụ đồng lên tới 1029/m3 Theo lý thuyết mạng tinh thể kim loại không cản trở dòng chuyển động electrons (dòng điện), nói độ dẫn điện kim loại vô lớn Nhưng thực tế, tác động nhiều yếu tố khác nhiệt độ, từ trường, điện trường, … mạng tinh thể kim loại dao động gây cản trở dòng chuyển động electrons Điều lý giải điện trở kim loại lại phụ thuộc vào nhiệt độ nhiệt độ thấp tạo chất siêu dẫn Quan hệ mật độ dòng điện, cường độ điện trường độ dẫn điện vật thể xác đònh nhờ đònh luật Ohm Ở dạng tổng quát viết : J = (ne eo µe + ni eo µi ) E (1.1) Trong : j : mật độ dòng điện, A/cm2 ne, nI : mật độ điện tích electrons ion, 1/cm3 µe, µi : độ chuyển động electrons ion điện trường E = (v/cm) e0- : điện tích electron Trong kim loại, dòng điện sinh chủ yếu nhờ dòng chuyển động electrons, (1.1) viết lại sau : j = ne eo µe E (1.2) Từ (1.2) suy : σ = ne eo µe (1.3) Trong : σ độ dẫn điện, phụ thuộc vào mật độ điện tích n e vào dạng trạng thái kim loại µe từ : j=σ.E (1.4) Giá trò nghòch đảo điện dẫn σ : / σ = ρ : điện trở suất vật liệu Điện trở suất ρ phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ sau : ρT = ρ20 [ + α (T – T20) ] (1.5) với ρ20 : điện trở suất vật liệu 200C (2930K) α : hệ số nhiệt điện trở vật liệu, 1/0C, T20 = 2930K Tốc độ chuyển động electrons điện trường E phụ thuộc vào hiệu điện U điện cực ve = 5,93.10 u (1.6) Ví dụ : U = 40 KV, ve = 118,6 103 (km/s) Khi đó, electron đạt động We = e0 U (eV) (1.7) Khi va đập với nguyên tử mạng tinh thể, electron trao lượng cho nguyên tử làm cho kim loại bò nóng lên Nhiệt lượng sinh dòng điện I chảy vật dẫn điện biểu diễn : Q = I2 R t (1.8) Với : I : dòng điện, A, R : điện trở, Ω t : thời gian dòng điện chảy qua, s Công suất nhiệt biểu diễn sau : Ở đây, 2.2 U2 U2 P= = R ρ l / s l : chiều dài vật dẫn m s : tiết diện vật dẫn, m2 P : công suất, W CÁC PHẦN TỬ ĐIỆN TRỞ ĐỐT NÓNG : Việc lựa chọn vật liệu kết cấu phần tử đốt nóng xác đònh đặc điểm trình công nghệ kết cấu thiết bò Phần tử đốt nóng cần phải có đặc điểm sau : điện trở suất lớn, hệ số nhiệt điện trở α nhỏ phải có tuổi thọ cao Có thể phân chúng thành nhóm theo nhiệt độ làm việc sau : Nhiệt độ thấp : 500 – 7000K, trao đổi nhiệt chủ yếu phương pháp đối lưu Nhiệt độ làm việc trung bình, tư ø 900 – 1.300 0K, trao đổi nhiệt đối lưu, trao đổi nhiệt xạ nhiệt Nhiệt độ làm việc cao từ 1.500 – 2.300 0K, chủ yếu truyền nhiệt xạ Để chế tạo phần tử đốt nóng có nhiệt độ làm việc đến 1500 0K, người ta thường sử dụng vật liệu : Nicrome (hợp kim nickel, chrome), hợp kim chrome nhôm hợp kim thép chòu nhiệt chrome – nickel Nicrome với thành phần 75 – 78% nickel khoảng 25% chrome, tăng thành phần nickel hợp kim làm tăng khả nhiệt độ Bổ sung thêm titan làm tăng độ bền hợp kim Hợp kim nicrome với 22 – 27% crome 17 – 20% nickel dùng để chế tạo phần tử đốt nóng có nhiệt độ làm việc đến 11000K Hợp kim thép, chrome (13%) nhôm (đến 4%) dùng làm phần tử đốt nóng làm việc nhiệt độ 11000K Hợp kim có chứa 20 – 27% chrome lượng nhỏ chất phụ khác titan, bore … có khả làm việc nhiệt độ đến 1470 – 16200K Các hợp kim sử dụng làm phần tử đốt nóng dạng hở bảo vệ Ở dạng thứ kết cấu phần tử đốt nóng tươnng đối cứng chế tạo từ dây băng có tiết diện lớn Phần tử dạng hở lắp đặt lò dụng cụ đun nấu gia đình, chúng có hình dạng ziczăc xoắn lò xo Để đun nấu chất lỏng đốt nóng chất khí vài trình công nghệ, sử dụng phần tử dạng ống làm từ vật liệu thép gốm xốp có lỗ nhỏ li ti kích thước khoảng 40 - 80µm để bảo đảm cho chất lỏng chất khí thấm qua thành Suất tải nhiệt phần tử loại vào khoảng 1KW/cm2 với nhiệt độ làm việc khoảng 400 – 600 0K Điện áp đặt phần tử từ – 12V Khi đốt nóng nhiệt độ thấp sử dụng rộngrãi phần tử đốt nóng dạng ống mô tả (H.2.1) Chất độn ống thường sử dụng Periclaz (MgO) nấu chảy Công suất ống từ 100W đến 15KW, điện áp làm việc từ 36 - 380V, nhiệt độ làm việc từ 400 – 10000K Tuổi thọ trung bình ống từ 10.000 đến 40.000 Đối với lò nhiệt độ cao tới 17000K thường sử dụng phần tử đốt nóng chế tạo từ carbonrundum (SiC) dạng thanh, đường kính – 30mm, với chiều dài khác Phần tử đốt nóng làm từ silic milibden (MoSi 2) làm việc nhiệt độ 2000 K môi trường oxygen MoSi2 chế tạo phương pháp luyện kim bột Trong môi trường oxygen nhiệt độ cao 13000K bề mặt phần tử đốt nóng phủ lớp bảo vệ SiO2 Ở nhiệt độ từ 20000K trở lên lớp bảo vệ cũ bò phá hủy tự hình thành lớp bảo vệ mới, kết tiết diện phần tử bò giảm dẫn đến điện trở tăng lên Vì vậy, nhiệt độ 2000 0K không nên dùng phần tử đốt nóng loại Ở nhiệt độ đến 23000K phần tử đốt nóng làm từ kim loại gốm Ví dụ : oxyde Ziriconi có chứa 4% oxyde canxium 6% oxyde itria Trong lò điện nhiệt độ cao (từ 23000K trở lên) Các phần tử đốt nóng làm từ vật liệu khó nóng chảy than chì (graphite), kim loại khó nấu chảy moliloden, tantal, wolfram, chúng sử dụng chủ yếu môi trường khí trơ argon, helium, hydrogen, nitrogen chân không 2.3 CÁC LÒ ĐIỆN TRỞ : Lò điện trở sử dụng nhiều công nghệ chế tạo maý, luyện kim, công nghiệp nhẹ, công nghiệp hoá chất, xây dựng nông nghiệp Sự đa dạng trình công nghệ việc sử dụng vật liệu đa dạng dẫn đến đa dạng kết cấu lò điện trở Nhiều trình công nghệ khác đòi hỏi phải thực điều kiện chân không khí bảo vệ dẫn đến cần thiết phải có lò điện trở Lò điện trở phân thành loại lò nung lò nấu chảy Lò nung điện trở : Chúng chế tạo theo nguyên tắc : - Lò nung tác động gián tiếp : lượng điện chuyển hoá thành nhiệt nhờ phần tử đốt nóng đặc biệt, sau truyền vào không gian công tác nhờ dẫn nhiệt, đối lưu xạ Trong lò nung tác động trực tiếp - Lò nung tác động trực tiếp : vật thể cần nung nóng đấu trực tiếp vào mạch điện Tuỳ theo mức độ nhiệt đạt phân thành : lò nung nhiệt độ thấp (900 – 10000K), nhiệt độ trung bình (1000 – 16000K), lò nung nhiệt độ cao (cao 16000K) Theo chế độ làm việc phân thành lò hoạt động liên tục hay theo chu kỳ Các lò hoạt động theo chu kỳ, tuỳ theo trình công nghệ khác phân thành : lò buồng đốt, lò đứng, lò chụp, lò nâng, lò băng truyền, lò lăng lăn, lò quay (H.2.2) Như vậy, lò hoạt động theo chu kỳ phận biệt với phương pháp hệ thống cấu truyền động, vò trí lắp đặt sợi đốt buồng lò Kích thước công suất lò xác đònh suất cần thiết, nhiệt độ đặc tính nhiệt lý vật liệu Hình 2.2A a) Lò chụp, b) Lò nâng, c) Lò đứng d) Lò buồng khí đốt, e) Lò băng truyền Trong lò có điều khiển áp suất, thường sử dụng khí trơ hỗn hợp khí đặc biệt Chúng có công dụng tốt việc xử lý bề mặt sản phẩm : nitơ hoá, hoá cứng bề mặt, … làm cho sản phẩm có độ cứng cao tăng cường độ bền sản phẩm Cũng có vài loại lò sử dụng môi trường hydrogen trình công nghệ khác để phục hồi kim loại bò oxy hoá ủ kim loại quý (wolfram, milibden …) Lò nấu chảy kim loại dùng điện trở : Dùng để nấu chảy kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp : chì, kẽm vài hợp kim chúng (600 – 800 0K) Đặc biệt lò điện trở dùng để nấu nhôm hợp kim nhôm, cho phép đạt độ tinh khiết cao Chúng có ưu điểm kết cấu đơn giản, cấp nhiệt đơn giản trình công nghệ đơn giản Lò nấu chảy kim loại dùng điện trở phân chia thành hai dạng: dạng nồi dạng buồng a Lò dạng nồi : có hình dạng nồi gang (H.2.3) đặt bên vỏ hình trụ, chỗ trống nhồi vật liệu cách nhiệt Suất chi phí lượng nồi nấu nhôm 700 – 750 KWh/tấn Hiệu suất vào khoảng 50- 55% 10 Tự cảm cuộn dây phụ : Nếu công suất cuộn cảm làm việc không thay đổi : 0,6.10 = 0,215.10 ( H ) 2π 250.10 (1333) Và : L2 = Hay : L2 = 0,215( µ H ) Chiều dài dây dẫn dùng để quấn cuộn dây phụ : 0,215 J2 = = 4,3(m) 0,05 Công suất phản kháng điện dung tụ điện C Khi tụ điện dầu máy phát cao tần (H.V.4.2a) Công suất phản kháng tụ điện cho biểu thức : Qc = Q - Qb Với : Q – công suất phản kháng hai cuộn dây Qb - công suất phản kháng máy biến áp – Mvar Tự cảm cuộn dây phụ : L2 10 0,05 = 0,5 (µH) Từ : Z = ωL = 0,5 10-6 2π 250 103 = 0,785 (Ω) Công suất phản kháng hai cuộn dây : Q = (Z1 + Z)I2 với I = 1333A Vậy : Q = (1,35 + 0,785) 13332 = 3.793.700 (var) Q = 3,79 Mvar U2 = c ωC QC Từ : Qc = 3,79 – = 0,79 (Mvar) XC = Điện kháng tụ : Uc - điện áp đầu tụ C điện áp cuộn dây : (2846) 0,79.10 1 C= = = 62,11.10 −9 ( F ) ωX 2π 250.10 10,25 C = 62.110( pF ) X = 13336==2846 10,25(V) Ω Uc = (Z1 + Z) I = (1,35 +0,785) 58 Từ : Và : Vậy : Khi tụ điện đặt đầu cuộn cảm làm việc (HV.4.2b) Vì điều kiện vận hành cuộn cảm làm việc không thay đổi, cøng độ dòng điện chảy qua điện áp đặt lên hai đầu không thay đổi 1800V áp dụng luận Kirchhoff cho mạch điện ta : U = 1800 + Z IB Với : IB =1333 – IC, UIB =3.106 IB – cường độ dòng điện qua cuộn phụ IC – cường độ dòng điện qua tụ C Từ : U IB = (1800 + 0,785 IB)IB Hay : 0,785 I B2 + 1800 I B − 3.10 = − 1800 − (1800) + 4.0,785.3.10 IB = = 1120( A) 2.0,785 Vậy : I C = 1333 − I B = 1333 − 1120 = 213( A) Điện kháng XC : XC = Và : C= U C 1800 = = 8,45Ω IC 213 1 = = 75340) pF ) X C ω 8,45.2π 250.103 Ví dụ 4.3 : Một thùng phuy hình trụ thép không rỉ (inoxidable) có đường kính d = 0,5m, cao h – 0,5m, dày e = 20mm, sử dụng đề làm nóng chất lỏng Nó cấp nhiệt nhờ dòng điện cảm ứng sinh từ cuộn cảm ống đồng có tiết diện sử dụng 2mm 2, đặt lồng bên thùng phuy, với đường kính trung bình d1 = 0,65m (H.V.4.3) Thành thùng phuy trở thành cuộn dây thứ cấp ngắn mạch máy biến áp với số vòng dây N = Cuộn cảm cun dây sơ cấp có N = 100 vòng cung cấp đi65n áp xoay chiều U1 = 380V, f= 50Hz Hãy xác đònh : 59 Độ thấm sâu từ trường δ, cho cường độ dòng điện bên bề dày thùng đồng Điện trở R2 thành thùng phuy (H.V.4.3a) Điện trở R1 cuộn cảm Hỗ cảm M cuộn cảm thùng phuy Phương trình : U1 = f (I1, I2); U2 = f (I1, I2); Biểu diễn tổng trở toàn phần thiết bò đằng trước cuộn cảm : Z = U1/I1 Khi đại lượng Z1, I1, U1 số phức (H.V.4.3b) Hãy tính dòng điện I1, cosϕ1 P1 tiêu thụ thiết bò Hãy tính dòng điện cảm ứng I2 công suất P2 Hãy tính giá trò điện dung dòng điện mắc song song với cuộn cảm (H.V.4.3c) cosϕ = Các số liệu : Điện trở suất kim loại làm thùng phuy : ρ2 = 0,85.10-6 Ωm, tự cảm : L2 = 368.10-3 µH Điện trở suất cuộn cảm : ρ1 = 1,7.10-8 Ωm, Từ thẩm tương đối : µr =1 µ0 = 4π.10-7 H/m 60 Hệ số hình dạng cuộn cảm : Kf = 0,65 Hỗ cảm : M = K L1.L2 Trong : K = 0,72, L1 = 5,42.10-3 – tự cảm cuộn cảm, L2 = tử cảm thùng phuy Ví dụ 4.4 Trong thiết bò đốt nóng điện môi, mạch cộng hưởng công suất phụ thuộc vào tần số làm việc (xem hình) Hãy tính công suất tiêu tán điện trở R2 suy U1 đến phụ tải cực đại hệ số liên hệ M M K= = L1.L Q1.Q 2 Với Q1, Q2 – hệ số áp mạch dao động Giải : Công suất tiêu tán điện trở R2 Tổng trở mạch cộng hưởng hình cho quan hệ : Z1 = R1 + j (ωL1 − ) ωC1 Z = R2 + j (ωL2 − ) ωC2 U1 = Z1 I1 + jMωI p dụng đònhOluậ Ohm 22nhá =t jM ωIcho Z nh : +J (1) ( 2) U1 Giải hệ phương trình trêωn 2nhậ M 2n : Z1 + Z2 − jMωU1 I2 = J 2Z2 + ω 2M I1 = Và : ωL1 − 1 = ωL2 − =0 ωC1 ωC2 Z1 = R1 ; I1 = Z = R2 ; − jMωU1 R2 R2 + ω M 61 Cả phụ thuộc vào tần số làm việc : Từ : Và : Công suất tiêu tán R2 cho : ω2M 2 PE2 = I R2 = R2U1 2 ( R2 R2 + ω M ) Đặt : M ω2 S= R1 R2 Ta có : PE2 = Lấy đạo hàm : dPR2 ds U12 S R1 (1 + S ) = U12 − S R1 (1 + S )3 Ta thấy PE2 cực đại S = -1 RR Khi : M = 22 Từ : K= ω M R1 R2 = = ωL1 ωL2 L1 L2 Q1.Q2 Ví dụ 4.5 Hãy xác đònh đặc tính lò phản ứng dùng để nấu chảy 10 gang có dạng hình trụ Đường kính d chiều cao h lò (dạng nồi), biết tỷ số h/d=1,25 Đường kính D cuộn dây cảm ứng Công suất cần thiết để thực việc nấu chảy thời gian 3,5 giờ, bề mặt kim loại lỏng không khí Công suất cần thiết để thực việc nấu chảy thời gian 3,5 nồi đậy nắp Số liệu : Nồi nấu chảy cấu tạo từ vật liệu Vật liệu Bề dày (cm) Hệ số dẫn nhiệt (W/oK.m) Gạch chòu lửa 2,32 Vật liệu cách nhiệt 0,464 62 0,72 Amiante 0,163 Fibre 0,3 0,1 - Đáy nồi có bề dày 30cm, λ = 1,168 (W/oK.m) - Nắp dày 15cm có λ = 1,168 (W/oK.m) - Khối lượng riêng gang λ = 6600 (Kg/m3) - Năng lượng cần thiết để làm nóng chảy lỏng : 350 KWh/tấn - Hệ số phản xạ từ bề mặt chậu kim loại nóng chảy ε = 0,8 - Hệ số trao đổi nhiệt từ bề mặt nắp với không khí KT = 30(oK m2) Nhiệt độ : - Kim loại nóng chảy : θ1 = 14000C - Cuộn dây cảm ứng : θ2 = 400C - Bên nắp : θ3 = 13000C - Không khí xung quanh : θ4 = 270C Giải : Đường kính d chiều cao h lò Đường kính : Thể tích gang lò : Vì hình trụ nên : Vậy : V = πd V = h 4V d3 = 1,25π d =3 10 tan = 1,515(m ) 6600 h = 1,25d 4V 4.1,515 = = 1,156(m) 1,25π 1,25.3,14 63 Chiều cao : H = 1,25 d = 1,25 1,156 = 1,445 (m) Đường kính cuộn dây : D = 1,156 +2 (0,06 + 0,05 + 0,05 + 0,01 + 0,003) = 1,502 (m) Công suất cần thiết để nấu chảy gang điều kiện không khí bình thường Bao gồm thành phần : làm nóng làm chảy kim loại, bù cho nhiệt tỏa môi trường Công suất làm nóng làm chảy kim loại : Năng lượng cần thiết để đốt nóng làm chảy 10 gang : 350 x 10 = 3500 (Kwh) 3500 = 1000( KW ) Để nấu chảy 3,5 3,5h đòi hỏi công suất : Pnc = Tỏa nhiệt môi trường : - Qua thành bên - Qua đáy nồi - Qua bề mặt chậu kim loại nóng chảy Qua thành bên : Để tính toán tỏa nhiệt qua thành bên ta xem thành hình trụ lò +tdcủa có 1,502 mặt phẳng BềDmặ gía +trò1,156 giá trò trung bình2của bề mặt bên Stb = π h = π 1,445 = 6,033( m ) lò bề mặt bê2n lò Với thành phẳng cấu tạo lớp có đặc tính nhiệt khác nối tiếp đường nhiệ n t thông ei =∑ Trong trường hợp hệ số truyền nhiệt chung K xác đònh K i =1 λi : Ei – bề ứ,n05 g của0cá c lớp0,01 dày0,tương 06 ,05 0,003 = + + + + = 0,2944((m K ) / w) λI - hệ số dẫ n nhiệ t củ a mỗ i lớ p K 2,32 0464 0,72 0,163 0,1 Từ : Φb = K Stb (θ1 − θ ) = Nhiệt thông qua thành bên : 1400 − 40 6,033 = 27870(W ) 0,2944 Φb = 27,9( Kw) 64 πd π (1,156) Sd = = = 1,05(m ) 4 Vậy : Nhiệt thông qua đáy nồi : Bề mặt đáy : Nhiệt thông tương ứng : λ 1,168 (θ1 −θ ) S d = (1400 − 40).1,05 e 0,3 Φd = 5,6( KW ) Φd = Nhiệt thông truyền qua bề mặt chậu kim loại nóng chảy Bề mặt chậu kim loại nóng chảy : Vậy : πd π (1,156) S KL = = = 1,05(m ) 4 Φ KL = ε δ S nc (T14 − T24 ) Trong : T1 = 1400 + 273 = 1673( K ) T2 = 27 + 273 = 300( K ) δ - số Stéfan = 5,67.10-8 W/(0K4.m2) ε - h số phản xạ = 0,8 từ : Φnc = 0,8.5,67.10 −8.1,05.[(1673) − (300) ] Φb = 372( Kw) Tổng công suất (nhiệt thông tổng) P = Pnc + Pb + Pd + PKL = 1000 + 27,9 + 5,6 + 37,2 = 1405,5( Kw) Hay : P = 1406( KW ) Công suất cần thiết đậy nắp : Sự trao đổi nhiệt thực qua nắp có diện tích : πd Sn = = 1,05(m ) Hệ số truyền nhiệt chung Kn 1 e 0,15 = = n = + = 0,162(m K ) / W ) K n KT λn 30 1,168 Nhiệt thông truyền qua nắp : Φn = K n (θ − θ ).S n = Φn = 8,25( Kw) (1300 − 27).1,05 = 8251( w) 0,162 65 Vậy : Như vậy, đậy nắp công suất truyền từ bề mặt kim loại nóng chảy giảm từ 372Kw xuống 8,25Kw Vậy công suất cần thiết trường hợp : P = 1000 + 27,9 + 5,5 + 8,25 = 1041,65 (Kw) =1042 (Kw) Ví dụ 4.6 Tụ điện đốt cực song song lắp đầy phần vât liệu có bề dày 5cm, có hệ số điện môi tương đối εr =5 hệ số tổn hao điện môi tgδ = công suất cực đại nhận Q1 = Q2 = 20 (H.V.4.6) Hãy xác đònh : RC.ω Bề dày lớp khí cần thiế tgδ t =để nhận công suất cực đại Phân bố điện trường tụ đốt (làm việc) điện áp : U = 4000V Giải : R = điện trở R điện dung C đặt song Vât liệu đặZ c VL trưng + RC.ω song Chúng liên hệ với biểu thức : R + jRC.ω j ω.C1 Tổng trở mạch điệnZđặ =c trưng cho vậ − t liệu : RC1ω − j[1 + R 2ω (CC1 + C )] 2 C ω ( + R ω C ) Lớp khí thay tương đương điện dung C nối tiếp Tổng trở Z= chung toàn mạch có dạng : + R 2ω (CC1 + e ) Q= R.C1ω Qm = ωRC 66 Hay : Hệ số áp tổ hợp không khí Vật liệu cho : Nếu đặt : + Qm2 (1 + C1 / C ) Q= Qm C1 / C Ta có : Các điện dung C1 C làC:1 = ε 0ε r1 S e1 C= ε 0ε r S e với : ε0 – số điện môi chân không εr1 – số điện môi lớp khí εr – hệ số điện môi vật liệu C C εr e e1 er ε r e ε r e1 = e1 – bề=dày1 vật liệu e1 – bề dày lớp1 khí, từ : ε r e1 + Qm2 (ε r e1 + ε r1 e) Thay vào biểu thứcQtính = Q ta : ε r1 eQm e1 = e Từ : ε r1 Qm (Q − Qm ) εr + Qm2 m = ωRC = Sau thay số : e =Q5cm =1 tgδ ε r = 5; Q = 20; ε r1 = 1.1.(20 − 1) = 9,5.10 −2 (m) 5(1 + 1) e1 = 9,5cm e1 = 5.10 −2 Vậy : Phân bố điện trường : U = U1 + U VL U U1 UVL = = Z Z1 ZVL 67 Điện áp đặt lên đầu mạch điện tương đương tổng điện áp đặt lên lớp khí lớp vật liệu : Ta có : Từ : R +   U Z jωC1 + jωRC R  = = = jωC1  + U Z1  jωC1 + jωRC  jωC1 Hay : U + jωR (C1 + C ) = U1 + jωRC Nếu đặt: Qm = ωRC : U1 = + jQm U + jQm (1 + C1 / C ) Điện trường phân bố lớp khí cho : Với : E1 = U1 e1 modul điện áp U1 U1 U = U = 4000V Vậy : Với : U1 = +1 x 4000  C1  + 1 +  C  C1 ε r1 e 5.10 −2 = = = 1,05 C ε r1 e1 5.9,5.10 −2 x 4000 = 3800(V ) + (1 + 0,105) 3800 E1 = = 400(V / cm) 9,5 + jQm U VL = U − U1 = U − U C1 + jQm (1 + ) C C + jQm C U U VL = C + jQm (1 + ) C EVL = U VL / e U1 = Vậy : Ta có : Hay : 0,105 x 4000 = 282,45V + (1 + 1,05) 282,45 = = 56,49(V / cm) U VL = EVL 68 Và : Ví dụ 4.7 : Để dán gỗ dày 0,3mm lên ván ép dày 25mm qua lớp keo (Acétate de Polyvinyl) dày 0,1mm Quá trình dán thực cách đặt vào hai cực nối với máy phát cao tần Mát phát hoạt động tần số 13,56 MHz công suất 5Kw, điện áp 3,16KV Điện tích bề mặt dán 1m2 Hãy xác đònh : Tổng trở phụ tải bao gồm điện dung điện trở Giá trò tử cảm cuộn dây phối hợp máy phát – phụ tải Hệ số biến áp máy biến áp tự ngẫu Điện áp hai đầu mạch dao động Tốc độ tăng nhiệt độ lớp keo Số liệu : Bảng 4.1 TT Số liệu vật liệu Bề dày e (mm) Hệ số điện môi ε r Khối lượng riêng (Kg/m3) Hệ số tổn hao điện môi tgδ Gỗ dán 0,3 500 0,05 Keo 0,1 15 Ván ép 25 Tỷ nhiệt gỗ : 0,5 500 0,05 Cg = 0,44w.h / (Kg.oK) Hệ số dẫn nhiệt gỗ : λ = 0,2w/(m.0K) Hằng số điện môi chân không : ε0 = Giải : F  10 −9   36π m Tổng trở tải : Mỗi lớp đặc trưng mạch điện bao gồm điện dung mắc song song với điện trở : εεS Giá trò điện dung : Ci = Ri = r ei ωCi (tgδ )i 69 Giá trò điện trở : Với : ω - tần số gốc = 2πf = 2π 13,65 106 = 85,2 106 CI – điện dung lớp tương ứng (tgδ)I – hệ số tổn hao điện môi lớp Tổng trở lớp có dạng : 1 = + jωCi Z i Ri Hay : Ri + jωRiCi Zi = Khi sử dụng giá trò bảng 4.1 ta nhận : Bảng 4.2 Lớp vật liệu 0,118 1,326 1,415.10-3 Đại lượng C (µF) ω.C 0,1205 R10,05 R2 112,98 R3 + + + jω1,991 R1C1 + jωR2C0,0177 + jωR3C3 165,9 R (Ω) 1,991 nê0n,0177 165,9 Lớp đặt nố : Z i=tiếp nhau, + + = 0,422 j8,381 + j 20 + j + j 20 Z= Z = 8,392(Ω) Hay : 1 = + jωC = Z R 0,422 j8,381 Để xác đònh thành phần tổng trở bao gồm điện dung điện trở mắc song song, ta có : λ = 0,006 + j 0,119 R= = 166,66(Ω) 0,006 Từ : Hay : Từ : C= 0,119 ω = 0,119 = 1,397.10 −9 ( F ) 85,2.10 C ==0,119 1,40.10 −9 ( F ) Và điện dung : ωC ω2CL = L = / ω 2C L= = 0,0986.10−6 ( H ) −9 (85,2) 10 1,40.10 12 70 Hay : Giá trò tự cảm cuộn phối hợp phải thỏa mãn điều kiện : từ : hay : hay : L = 0,0986 (µH) Tỷ số biến áp máy biến áp tự ngẫu : Điện trở mạch sơ cấp : R1 = Điện trở mạch thứ cấp : U (3600) = = 1997(Ω) P 5000 R2 = 166,7(Ω) Từ đó, tỷ số biến áp : U1 = = K U2 R1 1997 = = 3,463 R2 166,7 K = 0,289 Điện áp hai đầu mạch dao động : U1 = ,U = K U1 = 0,289.3160 = U = 913(V ) K U2 Tốc độ phát nóng : Công suất tích cực P nhằm mục đích đốt nóng phụ tải : P = m.C p Từ : dθ dt dθ P = dt m.C p m – khối lượng phụ tải m = 1.0,0254.500 = 12,7 (Kg) Từ : dθ 500 = = 0,249( K / s ) = 15( K / min) dt 12,7.0,44.3600 71 72 [...]... nhiệt của một phần tử : P= 810 00 = 27000(W ) 3 Điện trở suất ở 10 500C là : 10 50 = ρ 00 C (1 + α 10 50) Với : Từ đó : ρ 00 C 1, 45 .10 −6 = 1 + α 20 10 50 1 + 40 .10 −6 .10 50 = 1, 45 .10 = 1, 51. 10 −6 (Ωm) −6 1 + 40 .10 20 −6 Suất nhiệt thông trên bề mặt vật thể là ϕ = 1w/cm2 hoặc : 1 1 04 w/m2 Đường kính d được xác đònh theo công thức ở ví dụ 2 .1 : 4 ρP 2 4 .1, 51. 10 −6.( 27000) 2 3 d= = = 6,76 .10 −3 (m) 2 2... quanh – 200C 19 S - bề mặt tỏa nhiệt Tính KT : Kd = C 4 800 − 20 12 ,5 .10 −3 C = 0 ,43 .λK 4 g 9,8067 .10 6 =4 = 0,969 va2 Ttb ( 64 ,13 2) 2 683 K d = 0,969 .4 780 = 15 ,32( w /(m 2o K )) −3 12 ,5 .10 K b = 0,86.5,67 .10 −8 (10 73) 4 (293) 4 = 82, 41 ( w /( m 2 o K )) 10 73 − 293 Từ đó : KT = 15 ,32 + 82, 41 = 97,73 (w/(m2 oK) Nhiệt thông : ΦT = 97,73 58,9 10 -3 (800 – 20) = 44 90 (W) 2 Phân bố bên trong phần tử đốt nóng... Φ 44 90Dn 10 ,5 θ t −θθLn ==807 +T ln ln = 828( 0 C ) 2πλo2.L 3 , 14 .D 7,n6. 15 2e 7,5 Nhiệt độ bề mặt trong của ống phần tử : dθ D Φ T = −λΦ 2πTr.L n θt = θn + ln dr 2πλo L Dn − 2e 44 90 12 ,5 .10 −3 = 800 + ln = 807( o C ) −3 2.3 , 14 .12 .1, 5 10 ,5. 010 dθ =0 θ = θ L = 828( C ) dr thành ống cho tới sợi đốt : Khu vực từ bề mặt trong θ L −θt = d =3 ΦT D − 2e ln n 2π λMgO L DL 4 .1, 14 .10 −6 (44 90) 2 π 2 (220) 2 7 .10 ... Stéfan – 5,67 10 -8 W/(oK.m2) T1 – nhiệt độ trên bề mặt chậu kim loại nóng chảy 17 50 + 273 = 2023 (oK) T0 – nhiệt độ môi trường - 27 + 273 = 300 (oK) Sb – bề mặt bức xạ của lớp xỉ : π 2 π (d c − d12 ) = [(0 ,46 ) 2 − (0 ,15 ) 2 ] = 0 , 14 85(m 2 ) 4 4 200 = 0,28.5,67 .10 −8.0 , 14 85[2023) 4 − (300) 4 ] 60 = 13 1560(Wh) = 13 1,6( KWh) = Sb Từ đó : E3 E3 Hay : 4 Tổng năng lượng để tạo ra một thỏi đúc : E = E1 + E2 + E3... = 10 00 w /(m2 oK) Thành lò – nước làm mát : KH = 2000 w /(m2.oK) Hằng số Stefan : σ = 5,67 .10 -8 w /(m2.oK) Giải : 1 Số lượng thỏi điện cực để tạo thành thỏi đúc Thể tích một điện cực : π d I2 l1 π (0 ,15 ) 2 V1 = = 5 = 0,088(m 3 ) 4 4 Thể tích thỏi đúc : π d 22 l 2 π (0 ,4) 2 V = = 10 = 1, 257(m 3 ) Số lượng thỏi điện2 cực 4 4 23 N= V2 1, 257 = = 14 ,3 V1 0,088 Khối lượng thỏi đùúc : m2 = γ V2 = 7958 .1, 257... πd l P πdϕ (4) (5) Thay (5) vào biểu thức (2) ta được : πd 2 V 2 πdϕ π 2U 2 d 2ϕ P= = (6) 4 P ρ P Từ đó rút ra được : 4 ρ P 2 4 .1, 17 .10 −6 (40 00) 2 3 3 d= = = 1, 38 .10 −3 (m) 2 2 2 2 3 π U ϕ π (380) 20 .10 l= 40 00 = 46 ,13 (m) π 1, 38 .10 −3.20 .10 3 16 2 Đường kính và chiều dài ống lò xo : Đường kính trung bình của một vòng : Dtb = 6 d Đường kính ngoài của phần tử : D = Dtb + d = 7d = 7 1, 38 10 -3 = 9,7... : Năng lượng cần thiết để đốt nóng thép từ nhiệt độ môi trường θ0 = 270C lên đến giá trò nhiệt độ nóng chảy của thép θnc = 17 500C là : m2CT (θnc - θ0) Hay : 10 .000.0 ,13 25 (17 50 – 27) = 2283 .10 3 (Wh) Năng lượng cần thiết để nấu chảy thép : m2 L = 10 .000 50 = 500 10 3 (Wh) Vậy E1 = 2283 + 500 = 2783 (KWh) 2 Năng lượng nhiệt truyền ra nước làm mát E2 Hệ số truyền nhiệt chung K : 24 1 1 e e 1 = + 1 +... lmin = lmin = (3) < ϕ0 U π r.d nϕ0 ( 4) 230 π 10 .2,5 .10 −3 .40 0 .10 3 = 1, 30( m) 2 Số lượng phần từ nối song song N : Công suất Pmin tỏa ra từ một phần tử có chiều dài lmin là : U2 ( 230) 2 Pmin = = = 40 69(W ) r.lmin 10 .1, 3 Từ đó lượng phần tử nối song song N : N = P 5000 = = 1, 23 Pmin 40 69 Có thể đặt : N = 2 3 Chiều dài của một phần tử l : Công suất tỏa nhiệt từ một phần tử : PT = Mặt khác : P 5000 = =... tiếp điểm để đóng cắt dòng điện Bảng 2.2 : Cho thấy một sốtíh chất hóa lý của các chất xỉ thường được sử dụng 14 Bảng 2.2 CaF2 Al2O3 CaO MgO Nhiệt độ nóng chảy 0C AHφ -1 95 - 5 - 13 00 – 14 00 0,0 015 -0,002 AHφ-6 70 30 - - 13 20 – 13 40 0,003-0,0035 AH-2 91 18 40 25 17 14 50 0,0037-0,0 04 Mã hiệu Thành phần hoá học % Điện trở suất Ωhm Hàn điện xỉ Phương pháp hàn điện xỉ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp... Số vòng dây lò xo N: N= l 46 ,13 = = 16 77(vong ) l0 27,5 .10 −3 Với l0 : chiều dài một vòng dây Từ (H.V.2 .1) ta có : l0 l0 l0 πDtb + π Dtb2 + f 2 = 2 π 6.d + π 36d 2 + 9d 2 g = 2 = 3πd + 3,35πd = 6,35πd = 6,35.3 , 14 16 .1, 38 .10 −3 = 27,5 .10 −3 ( m) Chiều dài ống lò xo L : L = N f + d d + = 16 77.3 .1, 38 .10 −3 + 1, 38 .10 −3 = 7( m) 2 2 Ví dụ 2.2 Một lò điện nhiệt được trang bò ba phần tử đốt nóng giống nhau