Nội dung

6 Chương 2 LÒ ĐIỆN TRỞ 2.1. Khái niệm chung và phân loại Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt (dây điện trở). Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền dẫn nhiệt, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò điện trở thường được dùng để nung, nhiệt luyện, nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu… Phân loại lò điện trở có nhiều cách: 1. Phân loại theo phương pháp toả nhiệt - Lò điện trở tác dụng trực tiếp: lò điện trở tác dụng trực tiếp là lò điện trở mà vật nung được nung nóng trực tiếp bằng dòng điện chạy qua nó. Đặc điểm của lò này là tốc độ nung nhanh, cấu trúc lò đơn giản. Để đảm bảo nung đều thì vật nung có tiết diện như nhau theo suốt chiều dài của vật. - Lò điện trở tác dụng gián tiếp là lò điện trở mà nhiệt năng toả ra ở dây điện trở (dây đốt), rồi dây đốt sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu hoặc dẫn nhiệt. 2. Phân loại theo nhiệt độ làm việc - Lò nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc của lò dưới 6500C. - Lò nhiệt trung bình: nhiệt độ làm việc của lò từ 6500C đến 12000C. - Lò nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc của lò trên 12000C. 3. Phân loại theo nơi dùng - Lò dùng trong công nghiệp - Lò dùng trong phòng thí nghiệm - Lò dùng trong gia đình 4.Phân loại theo đặc tính làm việc - Lò làm việc liên tục - Lò làm việc gián đoạn Lò làm việc liên tục được cấp điện liên tục và nhiệt độ giữ ổn định ở một giá trị nào sau quá trình khởi động (hình 2.1a). Khi khống chế nhiệt độ bằng cách đóng cắt nguồn thì nhiệt độ sẽ dao động quanh giá trị nhiệt độ ổn định (hình 2.1b) Lò làm việc gián đoạn thì đồ thị nhiệt độ và công suất như hình 2.2 τ P τ τ P P P τ τô P P τ τô τ τmt a) t τmt b) Hình 2.1 Đồ thị nhiệt độ và công suất lò làm việc liên tục t τmt Hình 2.2 đồ thị nhiệt độ và công suất lò làm việc gián đoạn t 7 5. Phân loại theo kết cấu lò, có lò buồng, lò giếng, lò chụp, lò bể… 6. Phân loại theo mục đích sử dụng: có lò tôi, lò ram, lò ủ, lò nung … Ở Việt Nam thường dùng lò kiểu buồng để nhiệt luyện (tôi, ủ , nung, thấm than); lò kiểu giếng để nung, nhiệt luyện; lò muối để nhiệt luyện dao cắt qua muối nung… 2.2 Yêu cầu đối với vật liệu làm dây đốt Trong lò điện trở, dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua hiệu ứng Joule. Dây đốt cần phải làm từ các vật liệu thoả mãn các yêu cầu sau: - chụi được nhiệt độ cao; - độ bền cơ khí cao; - có điện trở suất lớn (vì điện trở suất nhỏ sẽ dẫn đến dây dài, khó bố trí trong lò hoặc tiết diện dây phải nhỏ, không bền); - hệ số nhiệt điện trở nhỏ (vì điện trở sẽ ít thay đổi theo nhiệt độ, đảm bảo công suất lò); - chậm hoá già (tức dây đốt ít bị biến đổi theo thời gian, do đó đảm bảo tuổi thọ của lò) 2.3 Vật liệu làm dây điện trở 1) Dây điện trở bằng hợp kim + Hợp kim Crôm - Niken (Nicrôm). Hợp kim này có độ bền cơ học cao vì có lớp màng Oxit Crôm (Cr2O3) bảo vệ, dẻo, dễ gia công, điện trở suất lớn, hệ số nhiệt điện trở bé, sử dụng với lò có nhiệt độ làm việc dưới 12000C. + Hợp kim Crôm - Nhôm (Fexran), có các đặc điểm như hợp kim Nicrôm nhưng có nhược điểm là giòn, khó gia công, độ bền cơ học kém trong môi trường nhiệt độ caơ. 2) Dây điện trở bằng kim loại Thường dùng những kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao: Molipden (Mo), Tantan (Ta) và Wonfram (W) dùng cho các lò điện trở chân không hoặc lò điện trở có khí bảo vệ. 3) Điện trở nung nóng bằng vật liệu kim loại + Vật liệu Cacbuarun (SiC) chụi được nhiệt độ cao tới 14500C, thường dùng cho lò điện trở có nhiệt độ cao, dùng để tôi dụng cụ cắt gọt. + Cripton là hỗn hợp của graphic, cacbuarun và đất sét, chúng được chế tạo dưới dạng hạt có đường kính 2-3mm, thường dùng cho lò điện trở trong phòng thí nghiệm yêu cầu nhiệt độ lên đến 18000C. Bảng 2.1. Đặc tính kỹ thuật vật liệu chế tạo dây điện trở là kim loại và hợp kim Bảng 2.2. Đặc tính kỹ thuật của thanh nung cacbuarun (Nga chế tạo). 8 Bảng 2.1. Đặc tính kỹ thuật vật liệu chế tạo dây điện trở kim loại và hợp kim Vật liệu làm dây điện trở -X20H80 Nicrôm -X20H80T -X15H60 Thép - X2 Hợp kim - X13 4 Hợp kim - OX17 5 Hợp kim - OX25 5 - 595(OX23 5A) - 626(OX27 5A) Vonfram, W Milipden, Mo Platin, Pt Sắt, Fe Niken, Ni SiC (cacbuarun) Grafit Cacbon (than) Điện Khối trở lượng suất ở riêng ở 0 0 C, ρ, 200C, Ωmm2 g/cm3 /m Hệ số nhiệt điện trở α.103 Nhiệt độ chảy lỏng, 0 C 8,40 1,100 0,035 1400 8,20 1,270 0,022 1400 8,30 1,100 0,100 1400 7,85 0,900 0,350 1400 7,20 1,260 0,150 1450 7,10 1,300 0,060 1450 7,00 1,400 0,050 1450 7,30 1,350 0,050 1525 7,20 1,420 0,022 1525 19,34 0,050 4,300 3410 10,20 0,052 5,100 2625 21,46 0,098 8,950 1755 7,88 0,090 11,30 1535 8,90 0,065 13,40 1452 Những vật liệu phi kim loại (**) 800 ÷ Thay 2,30 đổi 900 theo 1,60 8 ÷ 3 nhiệt 1,60 độ (hệ số nhiệt 600 ÷ điện trở 2000 âm) 10 ÷ 60 - Nhiệt độ làm việc cực đai, 0 C Nhiệt độ làm việc t, 0C Làm Làm việc việc gián liên đoạn tục 1150 1200 1050 1100 900 1050 1200 1250 1300 3000* 2200* 1400 400 1000 1050 1000 1050 1000 950 900 850 800 750 650 1500 1250 1200 1050 1000 1150 1100 2000 (2800)* 2000 (2500)* 1,00 ÷ graphit, cacbon và đất sét 1,25 Ghi chú: * Trong chân không hoặc trong môi trường khí bảo vệ ** Khối lượng riêng thay bằng khối lượng đống ρ1= ρ0(1 + αt) Cripton (hỗn hợp của 9 Bảng 2.2. Đặc tính kỹ thuật của thanh nung cacbuarun (Nga chế tạo) Kiểu thanh Kích thước, mm Chiều dài Đường kính toàn thanh hai đầu Diện tích bề mặt làm việc, cm2 Điện trở của toàn thanh ở trạng thái nóng, Ω Thanh nung công nghiệp KHC – 25x300 KHC – 25x300 KHC – 25x400 KHC – 25x560 KHMB – 25x400 406 1120 1220 711 640 25 25 - 236 236 314 564 314 0,77 ÷ 1,75 1,1 ÷ 1,55 1,2 ÷ 1,80 1,2 ÷ 2,8 1,1 ÷ 2,0 270 270 320 420 300 350 400 480 500 450 750 800 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 18 23 25,1 37,8 37,8 37,8 45,2 45,2 45,2 45,2 50,2 62,5 94,2 132,0 1,0 ÷ 2,0 1,5 ÷ 3,0 1,5 ÷ 3,0 1,5 ÷ 3,0 1,8 ÷ 3,6 1,8 ÷ 3,6 1,8 ÷ 3,6 1,8 ÷ 3,6 2,0 ÷ 4,0 2,5 ÷ 5,0 1,5 ÷ 3,0 1,75 ÷ 3,5 Dùng ở phòng thí nghiệm KHM – 8x100 KHM – 8x150 KHM – 8x150 KHM – 8x150 KHM – 8x180 KHM – 8x180 KHM – 8x180 KHM – 8x180 KHM – 8x200 KHM – 8x250 KHM – 12x250 KHM – 14x300 Công nghiệp và phòng thí nghiệm KHΛ – 12x200 280 75,4 4,4 ÷ 9,0 KHΛ – 12x230 320 86,5 4,5 ÷ 9,0 KHΛ – 16x320 280 115 4,5 ÷ 9,0 Ghi ch ú: 1. Sai số điện trở không lớn hơn 4%. 2. Hai chữ số viết ở mác thanh nung: chữ số thứ nhất là đường kính phần làm việc, chữ số thứ hai là chiều dài phần làm việc. 2.4.Tính toán kích thước dây điện trở Trong mục này chỉ trình bày việc tính chọn dây điện trở là kim loại và hợp kim. Dây điện trở làm từ kim loại và hợp kim được chế tạo với hai tiết diện: tiết diện tròn và tiết diện chữ nhật. - Đối với tiết diện tròn cần tính hai thông số: đường kính dây d và chiều dài dây điện trở L. 10 - Đối với dây điện trở tiết diện chữ nhật cần xác định các cạnh a, b (b/a = m = 5:10) và chiều dài dây đốt L. Trong thực tế có hai loại lò: một pha và ba pha. Nếu công suất của lò lớn hơn 5kW phải làm lò ba pha, tránh hiện tượng lệch phụ tải cho lưới điện. Nhưng khi tính toán chỉ cấn tính cho một pha, vị trí số điện trở của dây dẫn của ba pha phải như nhau. Việc tính toán kích thước dây điện trở được dựa trên hai biểu thức sau: + Biểu thức phản ánh quá trình biến đổi điện năng thành nhiệt năng P = W.F.10-3 [kW] (2.1) + Biểu thức phản ánh các thông số điện P= U2 U2 .10 3 = .10 3 R ρ [kW] (2.2) Trong đó: P - công suất của dây điện trở, kW W - công suất bề mặt riêng của dây điện trở thực, W/cm2; F - diện tích xung quanh của dây điện trở, cm2; U - điện áp giữa hai đầu dây điện trở, V; R - điện trở của dây đốt, Ω; ρ - điện trở suất của vật liệu chế tạo dây điện trở, Ωmm2/m; L - chiều dài của dây điện trở, m; S - diện tích của tiết diện cắt ngang của dây điện trở, mm2. Biểu thức (2.1) có thể viết dưới dạng sau: P = W.C.L.10-2 [kW] (2.3) Trong đó: C - chu vi của dây điện trở, mm. Từ (2-3) rút ra được: L= P.10 −2 Wd .C [m] (2.4) [m] (2.5) [mm3] (2.6) [mm] (2.7) Từ biểu thức (2.2) rút ra: L= U 2 .S .10 −3 P.ρ Cân bằng hai biểu thức (2.4) và (2.5) ta có: C.S = P 2 .ρ .10 5 U 2 .W a) Đối với dây điện trở có tiết diện tròn C = лd, S= πd 2 4 Thay vào (2.6) và tìm d, ta có: d =3 4.10 5.ρ .P 2 π 2 .U 2 .W 11 L= RS ρ =3 10.ρ .P 2 4πρW 2 [m] (2.8) [mm] (2.9) [m] (2.10) b) Đối với dây đốt có tiết diện hình chữ nhật (m = b/a) C = (a + b).2 = 2a(m +1) S = a.b = ma2 Thay vào biểu thức (2.6) và tìm a, ta có: a=3 L= 5.10 4 ρ .P 2 m(m + 1)U 2W RS ρ = 2,5.P.U 2 .m (m + 1) 2 ρW 2 2.5 Các loại lò điện trở thông dụng Theo chế độ nung, lò điện trở phân thành hai nhóm chính: 1. Lò nung nóng theo chu kỳ Hình 2.3 Các loại lò điện trở; a) buồng lò; b) lò giếng; c) lò đẩy 12 Bao gồm: + Lò buồng (hình 2.3a) thường dùng để nhiệt luyện kim loại (thường hoá, ủ, thấm than v.v…). Lò buồng được chế tạo với cấp công suất từ 25kW đến 75kW. Lò buồng dùng để tôi dụng cụ có nhiệt độ làm việc tới 13500C, dùng dây điện trở bằng các thanh nung cacbuarun. + Lò giếng (hình 2.3b) thường dùng để tôi kim loại và nhiệt luyện kim loại. Buồng lò có dạng hình trụ tròn được chôn sâu trong lòng đất có nắp đậy. Lò giếng được chế tạo với cấp công suất từ 30 ÷ 75kW. + Lò đẩy (hình 2.3c) có buồng kích thước chữ nhật dài. Các chi tiết cần nung được đặt lên giá và tôi theo từng mẻ. Giá đỡ chi tiết được đưa vào buồng lò theo đường ray bằng một bộ đẩy dùng kích thuỷ lực hoặc kích khí nén. 2) Lò nung nóng liên tục bao gồm: + Lò băng: buồng lò có tiết diện chữ nhật dài, có băng tải chuyển động liên tục trong buồng lò. Chi tiết cần gia nhiệt được sắp xếp trên băng tải. Lò buồng thường dùng để sấy chai, lọ trong công nghiệp chế biến thực phẩm. + Lò quay thường dùng để nhiệt luyện các chi tiết có kích thước nhỏ (bi, con lăn, vòng bi), các chi tiết cần gia nhiệt được bỏ trong thùng, trong quá trình nung nóng, thùng quay liên tục nhờ một hệ thống truyền động điện. 2.6. Khống chế và ổn định nhiệt độ lò điện trở 1. Đặt vấn đề + Theo đinhl luật Joule - Lence Q = 0,238.I2.R.t [cal] (2.11) Trong đó: Q- nhiệt lượng toả ra của dây điện trở, cal; I- dòng điện đi qua dây điện trở, A; R- điện trở của dây điện trở, Ω; t- thời gian dòng điện chạy qua dây điện trở, s; + Thời gian nung chi tiết đến nhiệt độ yêu cầu: t= G.C (t1 − t 2 ) a [s] (2.12) Trong đó: G- khối lượng của chi tiết có độ dài 100mm, kg; t1- nhiệt độ yêu cầu, 0C; t2- nhiệt độ môi trường, 0C; C- nhiệt dung trung bình của chi tiết cần nung; a- tốc độ toả nhiệt của chi tiết có độ dài 100mm, kcal/s. + Công suất điện cần cung cấp cho chi tiết có độ dài là 1mm: P2 = 4,18.l.a 100 + Công suất tiêu thụ của lò điện trở: [kW] (2.13) 13 P1 = P2 η. cos ϕ [kW] (2.14) Trong đó: η - hiệu suất của lò (η = 0,7 ÷ 0,75); φ - hệ số công suất của lò (cosφ = 0,8 ÷ 0,85). Từ biểu thức trên ta rút ra rằng: để điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở có thể thực hiện bằng cách điều chỉnh công suất cấp cho lò điện trở. Điều chỉnh công suất cấp cho lò điện trở có thể thực hiện bằng các phương pháp sau: - Hạn chế công suất cấp cho dây điện trở bằng cách đấu thêm điện trở phụ (cuộn kháng bão hoà, điện trở) - Dùng biến áp tự ngẫu, hoặc biến áp có nhiều đầu dây sơ cấp để cấp cho lò điện trở. - Thay đổi sơ đồ đấu dây của dây điện trở (từ tam giác sang sao, hoặc từ nối tiếp sang song song). - Đóng cắt nguồn cấp cho dây điện trở theo chu kỳ. - Dùng bộ điều áp xoay chiều để thay đổi trị số điện áp cấp cho dây điện trở. 2) Các loại cảm biến nhiệt độ Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ được trình bày trên hình 2.4 1 ε Trong sơ đồ khối chức t0đặt 2 3 năng gồm có các khâu chính t0 sau: 0 t ph - Lò điện trở 3 là đối tượng 4 điều chỉnh với tham số điều 0 khiển là nhiệt độ của lò (t ). - Bộ điều chỉnh và ổn định Hình 2.4 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều chỉnh và ổn định nhiệt độ lò điện trở nhiệt độ 2 (thay đổi các thông số nguồn cấp cấp cholò điện trở) - Bộ tổng hợp tín hiệu điều khiển 1 (ε = t0đặt – t0ph). - Cảm biến nhiệt độ 4, có chức năng gia công ra một tín hiệu điện tỷ lệ với nhiệt độ của lò. Để nâng cao độ chính xác khi khống chế và ổn đinh nhiệt độ của lò điện trở, hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở là hệ thống kín (có mạch vòng phản hồi). Việc điều chỉnh và ổn đinh nhiệt độ của lò được thực hiện thông qua việc thay đổi các thông số nguồn cấp cho lò. Như vậy tín hiệu phản hồi tỷ lệ với nhiệt độ của lò trong hệ thống khống chế và ổn định nhiệt độ lò điện trở. Hiện nay thường dùng các loại cảm biến nhiệt độ sau: 14 + Nhiệt kế thuỷ ngân: chiều cao của cột nước thuỷ ngân tỷ lệ thuận với nhiệt độ của lò. Cấu tạo của nó gồm có: 1- điện cực tĩnh (có thể dịch chuyển được nhờ nam châm vĩnh cửu); 2- Nước thuỷ ngân đóng vai trò như một cực động; 3- vỏ thuỷ tinh (hình 2-5) Như vậy, điện cực 1 và 2 tạo thành một cặp tiếp điểm. Khi nhiệt độ trong lò nhỏ hơn trị số nhiệt độ đặt, tiếp điểm 1-2 còn hở, còn khi nhiệt độ của lò bằng hoặc lớn hơn nhiệt độ đặt, tiếp điểm 1-2 kín. Việc thay đổi trị số nhiệt độ đặt thực hiện bằng cách dịch chuyển điện cực tĩnh 1 bằng nam châm vĩnh cữu. - Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, cùng một lúc thực hiện ba chức năng: cảm biến, khâu chấp Hình 2.5 Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ loại nhiệt kế thuỷ ngân hành và chỉ thị nhiệt độ. -Nhược điểm: Chỉ dùng được đối với lò điện nhiệt độ thấp (t0 ≤ 6500C), độ nhạy không cao do quán tính nhiệt của nước thuỷ ngân lớn. + Nhiệt điện trở (RN). Trị số điện trở của nhiệt điện trở thay đổi theo nhiệt độ theo biểu thức sau: RRN = RRNO(1 +αt0) [Ω] (2.15) Trong đó: RRN - trị số điện trở của nhiệt điện trở, Ω; RRNO- trị số điện trở của nhiệt điện trở trong điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ môi trường), Ω; α - hệ số nhiệt điện trở, Ω/0C. Với công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn, người ta có thể chế tạo được nhiệt điện trở với α >0 và α < 0. - Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, kích thước nhỏ gọn, dễ gá lắp trong lò. - Nhược điểm: chỉ dùng được đối với lò nhiệt độ thấp (t0 làm việc dưới 6500C), trị số điện trở của nó chỉ tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ trong một dãi nhất định. + Cặp nhiệt ngẫu (CNN) có tên gọi thường dùng là can nhiệt Khi đưa can nhiệt vào lò, nó sẽ xuất hiện một sức nhiệt điện e, trị số của e tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ của lò. -Ưu điểm: trị số sức nhiệt điện e tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ trong một dải rộng, được dùng trong tất cả các loại lò nhiệt độ làm việc tới 13500C. - Nhược điểm: trị số sức nhiệt điện rất bé nên cần phải có một khâu khuếch đại chất lượng cao. 15 2.7. Một số sơ đồ khống chế nhiệt độ lò điện trở điển hình 1) Sơ đồ khống chế nhiệt độ lò điện trở bằng bộ điều áp xoay chiều dùng triac (hình 2.6) RN VR2 VR3 Hình 2.6. Sơ đồ mạch điện nguyên lý + Thông số kỹ thuật của lò: Đây là lò công suất nhỏ, nhiệt độ làm việc thấp dùng để nuôi, cấy vi trùng trong các viện nghiên cứu - Công suất định mức: P = 500W. - Nhiệt độ làm việc: t0 = 370 ± 10. + Nguyên lý điều chỉnh và ổn định nhiệt độ: Nguyên lý điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở thực hiện bằng cách: điều chỉnh trị số điện áp nguồn cấp cho dây điện trở bằng cách thay đổi góc mở α của triac TC. Trị số góc mở α của triac được xác đinh bằng tốc độ nạp của tụ C2. Tốc độ nạp của tụ C2 phụ thuộc vào dòng colectơ của transito TR3 (Ic). - Dòng Ic của transito TR3 xác định theo biểu thức: Ic = U BE R8 [A] (2.16) [V] (2.17) Trong đó: UBE - điện áp đặt lên cực B và E của TR3. U BE = R7 −8 U cc .R7 −8 + RVR 2 + RVR 3 + R10 + R7