Đồ án Thiết kế các lò điện trở

= 200 [mm]. d2 : chiều dày lớp vỏ trong, d2 = 3 [mm]. dbông : chiều dày lớp xỉ bông, dbông = 160 [mm]. dvỏ : chiều dày lớp vỏ lò, dvỏ = 3 [mm]. Hđ : chiều cao đáy lò, Hđ = 380 [mm]. Hng = 1640 + (3 + 160 + 3 + 200 + 3) + 380 = 2389 [mm]. Hng = 2389 [mm] 3.3. Cấu Trúc của lò: Trên cơ sở các kích thước nội hình lò, các kích thước ngoại hình lò đã xác định được và cấu trúc lò đã chọn ta có được hình dáng cơ bản của lò. Hình dáng và các kích thước cơ bản của lò được trình bày trên hình 3.10a, 3.10b và hình 3.10c. Chương 4 Tính thời gian nung kim loại. 4.1. Các số liệu ban đầu Phôi được nung là các phôi trụ (các rulô cáp nhôm). Các kích thước cơ bản của rulô cáp nhôm đã được trình bày ở chương 3: Phôi được nung nóng nhờ trao đổi nhiệt đối lưu với không khí nóng tuần hoàn trong không gian lò. Các phôi được xếp liền nhau và xếp làm hai tầng (xem hình 3.3, hình 3.3a và hình 3.3b). Nhiệt độ trung bình của không khí nóng tuần hoàn trong lò: tkk = 250 [0C]. Nhiệt độ của dây cáp nhôm ở đầu giai đoạn nung: Nhiệt độ của dây cáp nhôm ở cuối giai đoạn nung: 4. 2. Chọn phương pháp nung và giản đồ nung 4.2.1. Phương pháp nung Rulô cáp nhôm có phần rỗng ở trong nên dây cáp nhôm được nung từ mặt ngoài vào và từ mặt trong ra (xem hình 4.1). Hình 4.1. Phương pháp nung các rulô cáp nhôm. Các rulô cáp nhôm được nung nóng chủ yếu nhờ trao đổi nhiệt đối lưu với không khí nóng tuần hoàn trong lò. Theo yêu cầu công nghệ, nhiệt độ của dây cáp nhôm ở cuối giai đoạn nung phải đạt được giá trị yêu cầu: = 180 [0C]. Nhưng vì dây cáp nhôm được quấn trên lõi các rulô nên nhiệt độ của các sợi cáp nhôm quấn ở lớp bề mặt (tm) sẽ cao hơn nhiệt độ của các sợi cáp nhôm ở lớp trong cùng (tt). Do vậy, ta sẽ nung nóng để nhiệt độ của dây cáp nhôm ở lớp bề mặt đạt được: tm = = 180 [0C]. Nếu kết thúc giai đoạn nung mà nhiệt độ của tâm (nơi có nhiệt độ thấp nhất) có sự sai khác lớn so với nhiệt độ bề mặt (Dt < [Dt]) thì ta phải thực hiện tiếp giai đoạn đồng nhiệt. Ngược lại, nếu kết thúc giai đoạn nung mà nhiệt độ của tâm có sự sai khác không lớn so với nhiệt độ bề mặt (Dt < [Dt]) thì ta không cần thực hiện giai đoạn đồng nhiệt nữa. 4.2.2. Giản đồ nung (xem hình 4.2) Với những phân tích đã trình bày ở trên ta chọn giản đồ nung hai giai đoạn với: Trong đó: [Dt] : độ chênh nhiệt độ cho phép giữa tâm và bề mặt. [Dt] = [Dt]/1 dm . d [0C]. với: [Dt]/1 dm : độ chênh nhiệt độ cho phép trên 1 [dm]. [Dt]/1 dm = 5 [0C]. [4] d : chiều dày toàn bộ các lớp dây cáp nhôm quấn trên rulô. ở đây: : đường kính của lớp cáp nhôm ngoài cùng quấn trên rulô. = 0,57 [m]. f2 : đường kính ngoài của lõi rulô, f2 = 0,27 [m]. vậy: [Dt] = 5.1,5 = 7,5 [0C]. Giản đồ nung được trình bày trên hình 4.2: Hình 4.2. Giản đồ nung phôi nhôm. 4.3. Tính thời gian nung 4.3.1. Nhiệt độ trung bình của bề mặt vật nung: . [2] Trong đó: : nhiệt độ trung bình của bề mặt vật nung, [0C]. : nhiệt độ ban đầu của bề mặt vật nung, = 20 [0C]. : nhiệt độ cuối của bề mặt vật nung, = 180 [0C]. 4.3.2. Tính hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (ađl) a) Tính tiêu chuẩn Reynolds (4.1) [5] trong đó: nkk : độ nhớt động học của không khí, với không khí nóng ở 250 [0C] ta có: nkk = 40,6.10 – 6 m2/s. [6] l : kích thước xác định, l = = 0,570 [m]. wkk : tốc độ của không khí tuần hoàn, xác định bằng công thức: [m/s]. với: V : lưu lượng quạt gió tuần hoàn, theo số liệu ban đầu ta có: V = 750 m3/phút = 12,5 m3/s. F : diện tích mặt cắt mà không khí đi qua (xem hình 4.3). F = F1 - F2 , [m2]. Hình 4.3. Diện tích mặt cắt mà không khí đi qua. F1 : diện tích mặt cắt dọc lò (tính từ phần được khoan lỗ của tấm thép giữa tới đáy lò). F1 = Ln.Hliệu , [m2]. ở đây: Ln : chiều dài nội hình lò, Ln = 3,6 [m]. Hliệu : chiều cao của hai tầng rulô, Hliệu = 1,140 [m]. F1 = 3,6.1,14 = 4,104 [m2]. F2 : tổng diện tích mặt cắt của các rulô vuông góc với phương thổi gió. ở đây: : đường kính của lớp cáp nhôm ngoài cùng quấn trên rulô, = = 0,570 [m]. : đường kính của lớp cáp nhôm trong cùng quấn trên rulô, = = 0,270 [m]. n1 : số rulô trong 1 hàng ở tầng dưới, n1 = 5 [rulô] (hình 3.3). n2 : số rulô trong 1 hàng ở tầng trên, n2 = 4 [rulô]. vậy: F = 4,104 - 1,781 = 2,323 [m2]. Do đó: Theo công thức (4.1) ta có: b) Tính tiêu chuẩn Nusselt Với chế độ đối lưu của không khí trong lò, không khí được thổi tạt qua các rulô xếp trên đáy lò, tiêu chuẩn Nusselt được xác định như sau: (4.2) [5] trong đó: Ref : tiêu chuẩn Reynolds, Ref = 75546. es : hệ số hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng của việc sắp xếp rulô trên đáy lò, với chùm ống song song ta có: với: S2 : khoảng cách giữa tâm của hai rulô cạnh nhau (tính theo chiều dọc của rulô). S2 = H3 + a = 0,355 + 0,100 = 0,455 [m]. ở đây: H3 : chiều cao tổng của rulô (chiều dài của rulô), H3 = 0,355 [m]. a : khoảng cách giữa hai hàng rulô, a = 0,100 [m]. d : đường kính của lớp cáp nhôm ngoài cùng quấn trên rulô, d = = 0,570 [m]. ei : hệ số hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng của các hàng ống, với chùm ống gồm hai hàng ống song song ta có: [5] với: e1 : hệ số hiệu chỉnh của hàng ống thứ nhất, e1 = 0,6. e2 : hệ số hiệu chỉnh của hàng ống thứ 2, e2 = 0,9. Theo công thức (4.2) ta có: c) Tính hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (ađl) Ta có: (4.3) trong đó : Nuf : tiêu chuẩn Nusselt, Nuf = 241,345. l : kích thước xác định, l = = 0,570 [m]. lkk : hệ số dẫn nhiệt của không khí ứng nhiệt độ tkk = 250 [0C], lkk = 4,27.10 – 2 [W/m.K]. [6] 4.3.3. Tính hệ số trao đổi nhiệt bức xạ (abx) a) Hệ số bức xạ quy dẫn (4.4) trong đó: eAl : độ đen của nhôm, eAl = 0,06. [5] et : độ đen của tường, et = ethép = 0,79. [5] FAl : diện tích bề mặt phôi nhôm tham gia trao đổi nhiệt bức xạ. với: : đường kính của lớp cáp nhôm ngoài cùng quấn trên rulô, = 0,570 [m]. H3 : chiều cao tổng của rulô, H3 = 0,355 [m]. N : số rulô được nung nóng trong lò, N = 23 [rulô]. n1 : số rulô trong 1 hàng ở tầng dưới, n1 = 5 [rulô]. n2 : số rulô trong 1 hàng ở tầng trên, n2 = 4 [rulô]. Ft : diện tích tường bao quanh lò, được xác định: Ft = Fn + Fxq , {m2]. với: Fn : diện tích của nóc lò, Fn = Bn.Hn = 1,565.1,64 = 5,634 [m2]. Fxq : diện tích tường lò xung quanh. Fxq = 2.(Bn.Hn + Hn.Ln) , [m2]. ở đây: Bn : chiều rộng nội hình lò, Bn = 1,565 [m]. Hn : chiều cao nội hình lò, Hn = 1,640 [m]. Ln : chiều dài nội hình lò, Ln = 3,600 [m]. Fxq = 2.(1,565.1,64 + 1,64.3,6) = 16,904 [m2]. vậy: Ft = 5,634 + 16,904 = 22,575 [m2]. Theo công thức (4.4) ta có: b) Hệ số trao đổi nhiệt bức xạ Trong đó: Cqd : hệ số bức xạ quy dẫn, Cqd = 0,3374 [W/m2 .K 4]. Tt : nhiệt độ của tường lò, Tt = tt +273 = 250 + 273 = 523 [K]. TAl : nhiệt độ trung bình của bề mặt lớp dây cáp nhôm, TAl = tAl +273 = 127 +273 = 400 [K]. Vậy: 4.3.4. Tính hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng aồ = ađl + abx , [W/m2 .K]. Trong đó: ađl : hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, ađl = 18,080 [W/m2.K]. abx : hệ số trao đổi nhiệt bức xạ, abx = 1,350 [W/m2.K]. aồ = 18,080 + 1,350 = 19,430 [W/m2.K]. 4.3.5. Tính thời gian nung (tn) a) Tính hệ số dẫn nhiệt của nhôm (sơ bộ) Để xác định hệ số dẫn nhiệt của nhôm ta cần biết được nhiệt độ của tâm phôi nhôm ở cuối giai đoạn nung. Nhưng do chưa biết nhiệt độ của tâm phôi ở cuối giai đoạn nung nên ta cần xác định hệ số dẫn nhiệt sơ bộ của nhôm. Hệ số dẫn nhiệt của nhôm phụ thuộc vào nhiệt độ của nhôm (xem bảng 4.1). Bảng 4.1. Hệ số dẫn nhiệt (l) của nhôm theo nhiệt độ. [4] Nhiệt độ [0C] 0 100 200 300 400 500 600 l [W/m.K] 202 206 229 272 319 371 423 Hệ số dẫn nhiệt của nhôm (tính sơ bộ) được xác định: Trong đó: : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ ban đầu của tâm phôi (20 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 202,8 [W/m.K]. : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ ban đầu của bề mặt phôi (20 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 202,8 [W/m.K]. : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ cuối giai đoạn nung của bề mặt phôi ( 180 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 224,4 [W/m.K] b) Tính tiêu chuẩn Bi (sơ bộ) (4.5) Trong đó: aồ : hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng, aồ = 19,430 [W/m2. K]. : hệ số dẫn nhiệt sơ bộ của nhôm, = 210 [W/m.K]. ST : chiều dày thấm nhiệt của phôi. ST = m . d , [m]. với: m : hệ số phụ thuộc vào cách cấp nhiệt cho phôi, với phôi nung là các rulô cáp nhôm rỗng, ta có: m = 0,8. [3] d : chiều dày của dây cáp nhôm quấn trên rulô. , [m] ở đây: : đường kính bề mặt ngoài của cáp nhôm sau khi quấn xong, = 0,57 [m]. f2 : đường kính ngoài của lõi rulô, f2 = 0,27 [m]. vậy: ST = 0,8. 0,15 = 0,12 [m]. Theo công thức (4.5) ta có: c) Tính tiêu chuẩn nhiệt độ bề mặt không thứ nguyên (qm ) (4.6) Trong đó: tkk : nhiệt độ của không khí nóng tuần hoàn, tkk = 250 [0C]. : nhiệt độ ban đầu của bề mặt rulô cáp nhôm, = 20 [0C]. : nhiệt độ cuối của bề mặt rulô cáp nhôm, = 180 [0C]. Từ (Bisb và qm), tra giản đồ 75 [10] ta tìm được tiêu chuẩn Fourier sơ bộ: Fosb = 50. Từ (Bisb và Fosb), tra giản đồ 76 [10] ta tìm được tiêu chuẩn nhiệt độ tâm sơ bộ: qtsb = 0,325. d) Tính nhiệt độ tâm phôi (sơ bộ) Ta có: (4.7) trong đó: tkk : nhiệt độ của không khí nóng tuần hoàn, tkk = 250 [0C]. : nhiệt độ ban đầu của tâm rulô cáp nhôm, = 20 [0C]. : nhiệt độ cuối của tâm rulô cáp nhôm, [0C]. qtsb : tiêu chuẩn nhiệt độ tâm sơ bộ, qtsb = 0,325. Từ công thức (4.7) ta có: . e) Tính hệ số dẫn nhiệt của nhôm (chính xác) trong đó: : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ ban đầu của tâm phôi (20 [0C]), tra theo ta có: = 202,8 [W/m.K]. : hệ số dẫn nhiệt ứng của nhôm với nhiệt độ ban đầu của bề mặt phôi (20 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 202,8 [W/m.K]. : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ cuối giai đoạn nung của tâm phôi (175,25 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 223,31 [W/m]. : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ cuối giai đoạn nung của bề mặt phôi (20 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 224,4 [W/m]. g) Tính tiêu chuẩn Bi (chính xác) Trong đó: aồ : hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng, aồ = 19,430 [W/m2. K]. : hệ số dẫn nhiệt chính xác của nhôm, = 213,3 [W/m.K]. ST : chiều dày thấm nhiệt của phôi, ST = 0,12 [m]. Từ (Bicx và qm), tra giản đồ 75 [10] ta tìm được tiêu chuẩn Fourier chính xác: Focx = 51,5. Từ (Bicx và Focx), tra giản đồ 76 [10] ta tìm được tiêu chuẩn nhiệt độ tâm chính xác: qt = 0,315. h) Tính nhiệt độ tâm phôi (chính xác) (4.7) Trong đó: tkk : nhiệt độ của không khí nóng tuần hoàn, tkk = 250 [0C]. : nhiệt độ ban đầu của tâm rulô cáp nhôm, = 20 [0C]. : nhiệt độ cuối của tâm rulô cáp nhôm, [0C]. qt : tiêu chuẩn nhiệt độ tâm chính xác, qt = 0,315. . i) Tính hệ số dẫn nhiệt độ: a [m2/h] (4.8) Trong đó : hệ số dẫn nhiệt chính xác của nhôm, = 213,3 [W/m.K]. rAl : khối lượng riêng của nhôm, rAl = 2700 kg/m3. : nhiệt dung riêng của nhôm, được xác định như sau: với: : nhiệt độ trung bình của nhôm cuối giai đoạn nung. : nhiệt độ trung bình của nhôm ban đầu, = 20 [0C]. : entanpi của nhôm ứng với nhiệt độ . = 170,889 [kJ/kg]. [4] : entanpi của nhôm ứng với nhiệt độ . = 18,669 [kJ/kg]. [4] vậy: Theo công thức (4.8) ta có: k) Tính thời gian nung (4.9) Trong đó: Focx : tiêu chuẩn Fo chính xác, Focx = 51,5. St : chiều dày thấm nhiệt của phôi nhôm, St = 0,12 [m]. a : hệ số dẫn nhiệt độ, a = 0,2959 [m2/h]. Nhận xét Khi thì và ta có: Như vậy, độ chênh nhiệt độ giữa tâm và bề mặt của rulô cáp nhôm là không lớn: Dt < [Dt] (2,45 [0C] < 7,5 [0C]) Do vậy ta không cần thực hiện giai đoạn đồng nhiệt cho cáp nhôm nữa. Với thời gian nung đã tính được (tn = 2,506 [h]) ta sẽ tính cân bằng nhiệt và xác định công suất điện của lò. Chương 5 Tính toán cân bằng nhiệt và xác định công suất điện của lò. 5.1. tính toán cân bằng nhiệt của lò Việc tính toán cân bằng nhiệt của lò nhằm mục đích xác định tổng lượng nhiệt mà lò cần cung cấp trong một đơn vị thời gian. Từ lượng nhiệt cần thiết này ta sẽ xác định được công suất điện cần cung cấp cho lò Pđiện [kW]. Giá trị của công suất điện Pđiện là cơ sở để tính toán dây điện trở cho lò và đưa ra các biện pháp khống chế, điều chỉnh chế độ nhiệt cũng như chế độ điện của lò cho hợp lí. Nội dung của việc tính toán cân bằng nhiệt của lò là xác định các khoản nhiệt cần chi phí cho lò, bao gồm: - Lượng nhiệt cần cấp cho vật gia công nhiệt (trong đồ án này là lượng nhiệt cấp cho dây cáp nhôm). - Lượng nhiệt cần cấp cho các thiết bị phụ ( lượng nhiệt cấp cho thép làm lõi rulô). - Lượng nhiệt cần cấp cho không khí tuần hoàn trong lò. - Lượng nhiệt tổn thất do tích nhiệt trong tường lò, đáy lò và nóc lò. - Lượng nhiệt tổn thất do dẫn nhiệt qua tường lò, đáy lò và nóc lò. 5.1.1. Lượng nhiệt để nung dây cáp nhôm (Q1) , [W] (5.1) Trong đó: 0,28 : hệ số chuyển đổi đơn vị từ [kJ/h] sang [W]. P : công suất của lò, với: GAl : tổng khối lượng của dây cáp nhôm trong 1 mẻ nung. GAl = 3088 [kg/mẻ]. [chương 3]. tn : thời gian của một mẻ nung, tn = 2,506 [h/mẻ].[chương 4] : entanpi của nhôm ứng với nhiệt độ trung bình của nhôm ở cuối giai đoạn nung (). = = 170,889 [kJ/kg]. [4] : entanpi của nhôm ứng với nhiệt độ trung bình của nhôm ở đầu giai đoạn nung (). = = 18,669 [kJ/kg] [4] Theo công thức (5.1) ta có: Q1 = 0,28. 1232.(170,889 - 18,669) = 52 509,811 [W]. Q1 = 52 509,811 [W] 5.1.2. Lượng nhiệt để nung thép làm lõi các rulô (Q2) (4.16) Trong đó: 0,28 : hệ số chuyển đổi đơn vị từ [kJ/h] sang [W]. Gthép : tổng khối lượng thép làm lõi các rulô. với: : khối lượng thép làm lõi một rulô, = 67,77 [kg] (chương 3) N : tổng số rulô được xếp trong lò ứng với 1 mẻ nung, N = 23 [rulô]. Gthép = 67,77.23 = 1558,7 [kg]. : Nhiệt dung riêng trung bình của thép. = 0,569[kJ/kg.K]. [5] : nhiệt độ của lõi rulô ở cuối giai đoạn nung, = 180 [0C]. : nhiệt độ của lõi rulô ở đầu giai đoạn nung, = 20 [0C]. tn : thời gian của một mẻ nung, tn = 2,506 [h]. Theo công thức (5.2) ta có: Q2= 15 855,200 [W] 5.1.3. Lượng nhiệt để nung không khí (Q3) Khi nung, lò được coi là hoàn toàn kín nên lượng không khí (Gkk) được quạt gió tạo đối lưu tuần hoàn ở trong lò là không đổi trong suốt quá trình nung. Lượng không khí này được nung nóng từ 20 [0C] () đến nhiệt độ làm việc của lò là 250 [0C] (). Theo yêu cầu công nghệ, lượng không khí này phải đạt 250 [0C] sau 0,5 [h] (tkk). Do vậy, lượng nhiệt để nung không khí được xác định: (5.3) Trong đó: 0,28 : hệ số chuyển đổi đơn vị từ [kJ/h] sang [W]. Gkk : khối lượng không khí được tuần hoàn ở trong lò. Gkk = Vkk . rkk , [kg]. với: Vkk : thể tích của không khí trong lò sau khi đã xếp liệu. Vkk = Vtrong - VSrulô , [m3]. Vtrong : thể tích bên trong lò (tính từ lớp vỏ giữa). Vtrong = (Bn + 2.dkhg).(Hn + dkhg).Ln , [m3]. ở đây: Bn : chiều rộng nội hình lò, Bn = 1,565 [m]. Hn : chiều cao nội hình lò, Hn = 1,640 [m]. Ln : chiều dài nội hình lò, Ln = 3,600 [m]. dkhg : chiều dày của không gian bố trí dây điện trở và vùng hút gió ở nóc lò, dkhg = 200 [mm] = 0,2 [m]. Vtrong = (1,565 + 2.0,2).(1,64 + 0,2).3,6 = 13,016 [m3]. VSrulô : tổng thể tích của các rulô xếp trong lò. VSrulô = , [m3]. ở đây: : đường kính của lớp cáp nhôm ngoài cùng quấn trên rulô, = = 0,570 [m]. : đường kính trong của lõi rulô, = 0,250 [m]. H3 : chiều cao tổng của rulô (chiều dài của rulô), H3 = 0,355 [m]. N : tổng số rulô được xếp trong lò ứng với 1 mẻ nung. N = 23 [rulô]. VSrulô = [m3]. vậy: Vkk = 13,016 - 1,683= 11,333 [m3]. rkk : khối lượng riêng của không khí ở điều kiện ban đầu. với: r0 : khối lượng riêng của không khí ở 0 [0C]. r0 = 1,293 [kg/m3]. [6] vậy: Gkk = 11,333.1,205 = 13,656 [kg]. : nhiệt độ của không khí sau khi gia nhiệt, = 250 [0C]. : nhiệt độ của không khí trước khi gia nhiệt, = 20 [0C]. : nhiệt dung riêng trung bình của không khí. [6] với: : nhiệt độ trung bình của không khí. vậy: tkk : thời gian gia nhiệt cho không khí, theo yêu cầu công nghệ: tkk= 0,5 [h]. Theo công thức (5.3) ta có: Q3 = 1 773,315 [W] 5.4.4. Lượng nhiệt tổn thất do tích nhiệt trong tường lò, đáy lò, nóc lò (Q4) Vì lò làm việc ở nhiệt độ thấp nên ngoài các tấm thép làm vỏ để tạo kết cấu cho lò ta chỉ sử dụng một loại vật liệu cách nhiệt là xỉ bông được bố trí ở giữa tấm thép làm lớp vỏ ngoài và tấm thép làm lớp vỏ trong. Do vậy, lượng nhiệt tổn thất do tích nhiệt trong tường lò, đáy lò và nóc lò chủ yếu là trong lớp xỉ bông . (5.4) Trong đó: 0,28 : hệ số chuyển đổi đơn vị từ [kJ/h] sang [W]. tn : thời gian của một mẻ nung, tn = 2,506 [h]. Dtxỉ bông : độ thay đổi nhiệt độ trung bình của xỉ bông sau mỗi chu kì làm việc, theo số liệu thực tế: Dtxỉ bông= 50 [0C]. rxỉ bông : khối lượng riêng của xỉ bông, r xỉ bông = 190 kg/m3. [8] C xỉ bông : nhiệt dung riêng của xỉ bông. [8] với: : nhiệt độ trung bình của tường lò, được xác định: ở đây: : nhiệt độ cuối của tường lò, = 250 [0C]. : nhiệt độ ban đầu của tường lò, = 20 [0C]. vậy: Vxỉ bông : thể tích của xỉ bông được dùng. V xỉ bông = Vng - Vtrong , [m3]. với: Vng : thể tích ngoại hình lò. Vng = Bng .Hng .Lng , [m3]. ở đây: Bng : chiều rộng ngoại hình lò, Bng = 2,303 [m]. Hng : chiều cao ngoại hình lò, Hng = 2,389 [m]. Lng : chiều dài ngoại hình lò, Lng = 4,062 [m]. Vng =2,303.2,389.4,062 = 22,349 [m3]. Vtrong : thể tích bên trong lò. Vtrong = (Bn + 2.dkhg) .(Hn + dkhg).Ln , [m3]. ở đây: Bn : chiều rộng nội hình lò, Bn = 1,565 [m]. Hn : chiều cao nội hình lò, Hn = 1,640 [m]. Ln : chiều dài nội hình lò, Ln = 3,600 [m]. dkhg : chiều dày của không gian bố trí dây điện trở (vùng hút gió),dkhg = 200 [mm] = 0,2 [m]. Vtrong = (1,565 + 2.0,2).(1,64 + 0,2).3,6 = 13,016 [m3]. vậy: V xỉ bông = 22,349 - 13,016 = 9,333 [m3]. Theo công thức (5.4) ta có: Q4 = 7 764,248 [W] 5.1.5. Lượng nhiệt tổn thất do dẫn nhiệt qua tường lò, đáy lò, nóc lò (Q5) Trong quá trình nung dây cáp nhôm, lò làm việc theo chu kỳ (theo từng mẻ nung) nên tường lò, đáy lò và nóc lò đều ở chế độ nhiệt không ổn định. Vì vậy, lượng nhiệt tổn thất do dẫn nhiệt qua tường lò, đáy lò và nóc lò không thể xác định được bằng các công thức truyền thống. , [W]. Trong đó: Dt : độ chênh nhiệt độ giữa mặt trong của tường lò và vỏ lò, [0C]. di : chiều dày của lớp vật liệu thứ i, [m]. li : hệ số dẫn nhiệt của lớp vật liệu thứ i, [W/m.K]. : tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, [m2]. Để xác định được lượng nhiệt tổn thất do dẫn nhiệt qua tường lò, đáy lò và nóc lò ở chế độ nhiệt không ổn định ta sử dụng công thức sau: (5.5) Trong đó: tvỏ : nhiệt độ trung bình của vỏ lò trong giai đoạn nung, theo thực tế ở những lò đang hoạt động, tvỏ =50 [0C]. tmôi trường : nhiệt độ của môi trường xung quanh, tmôi trường = 20 [0C]. a : hệ số trao đổi nhiệt từ bề mặt ngoài tường lò tới môi trường xung quanh (bao gồm cả trao đổi nhiệt bức xạ và đối lưu), với vỏ lò làm bằng thép ta có: a = 7,0 + 0,043. tvỏ , [W/m2.K]. [9]. vậy: a = 7,0 + 0,043.35 = 8,505 [W/m2.K]. : tổng diện tích mặt ngoài tường lò, được xác định: = Bng.Lng + 2.( Bng.Hng + Hng.Lng) , [m2]. với: Bng : chiều rộng ngoại hình lò, Bng = 2,303 [m]. Hng : chiều cao ngoại hình lò, Hng = 2,389 [m]. Lng : chiều dài ngoại hình lò, Lng = 4,062 [m]. = 2,303.4,062 + 2.(2,303. 2,389 +2,389.4,062) = 39,767 [m2]. Theo công thức (5.5) ta có: Q5 = 8,505.(50 - 20).39,767 = 10 146,550 [W]. Q5 = 10146,550 [W] 5.1.6. Tổng lượng nhiệt mà lò cần cung cấp QS = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 , [W]. Trong đó: Q1 : lượng nhiệt để nung dây cáp nhôm, Q1 = 52 509,811 [W]. Q2 : lượng nhiệt để nung thép làm lõi các rulô. Q2 = 15 855,200 [W]. Q3 : lượng nhiệt để nung không khí, Q3 = 1 773,315 [W]. Q4 : lượng nhiệt tổn thất do tích nhiệt trong lớp xỉ bông. Q4 = 7 764,248 [W]. Q5 : lượng nhiệt tổn thất do dẫn nhiệt qua tường lò, đáy lò, nóc lò Q5 = 10 146,550 [W]. Theo công thức (5.6) ta có: QS = 52 509,811 + 15 855,200 + 1 773,315 + 7 764,248 + 10 146,550 [W]. QS = 88 049,124 [W] QS = 88 049,124 [W] 5.1.7. Lập bảng cân bằng nhiệt của lò Với các thành phần nhiệt đã tính được, ta tính tỉ lệ phần trăm (%) của từng thành phần và lập bảng cân bằng nhiệt cho lò (bảng 4.2). Bảng 4.2. Bảng cân bằng nhiệt của lò. STT Đại lượng nhiệt Ký hiệu Giá trị [W] Tỷ lệ [%] 1 Nhiệt để nung dây cáp nhôm Q1 52 509,811 59,64 2 Nhiệt để nung thép làm lõi rulô Q2 15 855,200 18,01 3 Nhiệt để nung không khí Q3 1 773,315 2,01 4 Nhiệt tổn thất do tích nhiệt Q4 7 764,248 8,82 5 Nhiệt tổn thất do dẫn nhiệt Q5 10 146,550 11,52 Tổng lượng nhiệt thành phần QS 88 049,124 100,00 5.2. xác định công suất điện của lò 5.2.1. Xác định công suất nhiệt của lò (Pnhiệt) Công suất nhiệt của lò được xác định dựa vào giá trị của các lượng nhiệt chi cho lò (xem bảng 4.2). Pnhiệt = QS , [kW]. Trong đó: QS : tổng các lượng nhiệt thành phần. QS = 88 049,124 [W] = 88,05[kW]. Vậy, ta có: Pnhiệt = 88,05 [kW]. 4.3.2. Xác định công suất điện của lò (Pđiện) Công suất điện của lò được xác định bằng công thức: (5.6) Trong đó: Pnhiệt : công suất nhiệt của lò, Pnhiệt = 88,05 [kW]. k1 : hệ số dự trữ công suất, k1 = 1,2. [1] k2 : hệ số xét đến sự sụt áp của lưới điện, k2 = 0,90. [1] Thay các giá trị vào công thức (4.22) ta có: , lấy: Pđ = 120 [kW]. chương 6 Tính toán dây điện trở làm việc ở chế độ Trao đổi nhiệt đối lưu. 6.1. Các số liệu ban đầu Loại lò: Lò điện trở có không khí tuần hoàn cưỡng bức. Nhiệt độ làm việc của lò: tlò = 250 [0C]. Nhiệt độ của không khí nóng trong lò: tkk = 250 [0C]. Công suất điện của lò: P điện = 120 [kW]. Kích thước nội hình lò: Cao x Rộng x Dài = 1640 x 1565 x 3600 [mm]. Kích thước không gian bố trí dây điện trở: Cao x Rộng x Dài = 1140 x200 x 3600 [mm] Điện áp lưới 3 pha: 380 [V]. 6.2. tính toán dây điện trở làm việc ở chế độ trao đổi nhiệt đối lưu 6.2.1. Phân bố công suất và chọn cách đấu dây Với công suất điện của lò Pđiện = 120 [kW] ta chia làm hai phụ tải lớn, mỗi phụ tải có công suất Pphụ tải lớn = 60 [kW] và được bố trí ở hai bên tường lò trong không gian giữa tường bên và tấm thép ngăn. Mỗi phụ tải lớn lại được chia ra làm hai phụ tải nhỏ, mỗi phụ tải có công suất Pphụ tải nhỏ = 30 [kW]. Việc phân bố công suất đều ở hai bên tường lò sẽ đảm bảo sự đồng đều về nhiệt độ của lò trong suốt quá trình làm việc. Ta chia nhỏ các phụ tải một lần nữa vì khi lò đạt nhiệt độ yêu cầu ta không cần sử dụng toàn bộ công suất của lò mà chỉ cần sử dụng một nửa công suất này, việc chia nhỏ nhằm phân bố công suất đồng đều ở hai bên tường lò ngay cả khi ta chỉ sử dụng 1/2 công suất. Trong mỗi phụ tải, ta chọn phương án đấu sao (để giảm điện áp pha và điện trở pha), mỗi pha có 1 nhánh. Như vậy, tổng số nhánh trong một phụ tải nhỏ sẽ là: Nnhánh = Số pha x Số nhánh trong 1 pha = 3 x 1= 3 [nhánh]. Khi đó, công suất của mỗi nhánh dây là: Pnhánh = Cách phân bố công suất và bố trí dây điện trở được trình bày ở hình 6.1. Hình 6.1. Cách phân bố công suất và bố trí dây điện trở trong lò. 1 – Dây điện trở quấn trên ống gốm. 2 – ống gốm dùng quấn dây điện trở. 3 – Tấm gạch đỡ các ống gốm. 4 – Tấm thép ngăn có lỗ để thổi không khí qua. Cách đấu dây trong một nhóm phụ tải được trình bày ở hình 6.2 Hình 6.2. Cách đấu dây trong một nhóm phụ tải. 6.2.2. Chọn vật liệu chế tạo dây điện trở a) Chọn nhiệt độ dây điện trở (td) td = tkk + Dt , [0C]. trong đó: tkk : nhiệt độ của không khí nóng tuần hoàn trong lò, tkk = 250 [0C]. Dt : độ chênh nhiệt độ giữa không khí nóng tuần hoàn và dây điện trở, chọn Dt = 300 [0C]. vậy: td = 250 + 300 = 550 [0C]. b) Chọn vật liệu chế tạo dây điện trở Trên cơ sở nhiệt độ dây điện trở đã tính được ở trên td = 550 [0C] ta chọn vật liệu chế tạo dây điện trở là hợp kim X13Ю4. Các thông số đặc trưng của hợp kim X13Ю4 được trình bày trong bảng 6.1. Bảng 6.1.Các đặc trưng cơ bản của vật liệu X13Ю4 STT Đại lượng đặc trưng Kí hiệu Đơn vị Giá trị 1 Khối lượng riêng ở 20 [0C] g [kg/m3] 7200 2 Điện trở suất ở 0 [0C] r0 [W.mm2/m] 1,260 3 Hệ số nhiệt điện trở a [1/K] 0,150.10 – 3 4 Nhiệt độ chảy lỏng tnc [0C] 1450 5 Nhiệt độ làm việc cực đại tmax [0C] 900 6 Nhiệt độ làm việc liên tục tltục [0C] 750 7 Nhiệt độ làm việc gián đoạn tgđoạn [0C] 650 6.2.3. Chọn cấu trúc dây và cách bố trí dây Chọn dây điện trở có tiết diện tròn, đường kính d [mm], dây được xoắn lò xo trên bề mặt các ống gốm với bước xoắn t [mm]. Đường kính của các vòng xoắn là Dxoắn. Các ống gốm có kích thước cơ bản: fống gốm x Lống gốm = 40 x 900 [mm]. Cấu tạo của dây điện trở được trình bày ở hình 6.3 Hình 6.3. Cấu trúc dây điện trở. 1 – Dây điện trở. 2 – Tấm đỡ các ống gốm. 3 – ống gốm để quấn dây điện trở. Các ống gốm này được đỡ bởi các tấm đỡ có kích thước: Dày x Rộng x Cao = dtấm đỡ x Btấm đỡ x Htấm đỡ = 50 x 200 x 1140 [mm]. Với cách bố trí này, chiều dài theo trục xoắn của một nhánh dây điện trở (Lxoắn) là: Lxoắn = Lống gốm.Nống gốm - dtấm đỡ . Ntấm đỡ - Lđầu nối .Nđầu nối , [mm]. Trong đó: Lống gốm : chiều dài của một ống gốm, Lống gốm = 900 [mm]. Nống gốm : tổng số ống gốm dùng quấn một nhánh dây, Nống gốm = 4. dtấm đỡ : chiều dày của tấm đỡ các ống gốm, dtấm đỡ = 0,05 [m]. Ntấm đỡ : tổng số tấm đỡ được dùng, Ntấm đỡ = 5. Lđầu nối : chiều dài của một đầu nối, Lđầu nối = 70 [mm]. Nđầu nối : số đầu nối trong 1 nhánh, Nđầu nối = 2. Vậy: Lxoắn = 900.4 - 50.5 - 70.2 = 3210 [mm]. 6.2.4. Tính công suất bề mặt riêng của dây điện trở W [W/cm2] a) Công suất bề mặt riêng của dây điện trở khi tính theo sự trao đổi nhiệt đối lưu giữa không khí và bề mặt của dây điện trở Wđối lưu [W/cm2] Theo tiêu chuẩn Reynolds ta có: Trong đó wkk : tốc độ không khí thổi qua dây điện trở. với: V : lưu lượng của quạt gió tuần hoàn, theo số liệu ban đầu: V = 12,5 [m3/s]. F : diện tích mặt cắt của không gian bố trí dây điện trở vuông góc với phương thổi gió khi đã có các ống gốm và tấm đỡ. F = Fkhg - Ftấm đỡ - Fống gốm , [m2] Fkhg : diện tích mặt cắt của không gian bố trí dây điện trở vuông góc với phương thổi gió khi chưa có các ống gốm và tấm đỡ. Fkhg = Bkhg .Lkhg , [m2]. ở đây: Bkhg : chiều rộng của không gian bố trí dây điện trở, Bkhg = 0,20 [m]. Lkhg : chiều dài của không gian bố trí dây điện trở, Lkhg = 3,60 [m]. Fkhg = 0,20.3,60 = 0,72 [m2]. Ftấm đỡ : tổng diện tích mặt cắt các tấm đỡ. Ftấm đỡ = dtấm đỡ . Btấm đỡ . Ntấm đỡ , [m2]. ở đây: dtấm đỡ : chiều dày của tấm đỡ các ống gốm, dtấm đỡ = 0,05 [m]. Btấm đỡ : chiều rộng của tấm đỡ các ống gốm, Btấm đỡ = 0,20 [m] Ntấm đỡ : tổng số tấm đỡ được dùng, Ntấm đỡ = 5. Ftấm đỡ = 0,05.0,20.5 = 0,05 [m2]. Fống gốm : tổng diện tích mặt cắt các ống gốm. Fống gốm = 2.fống gốm .(Lống gốm .Nống gốm - dtấm đỡ . Ntấm đỡ) , [m2]. ở đây: fống gốm : đường kính của ống gốm quấn dây điện trở, fống gốm = 0,04 [m]. Lống gốm : chiều dài của ống gốm quấn dây điện trở, Lống gốm = 0,90 [m]. Nống gốm : tổng số ống gốm được dùng, Nống gốm = 4. dtấm đỡ : chiều dày của tấm đỡ các ống gốm, dtấm đỡ = 0,05 [m]. Ntấm đỡ : tổng số tấm đỡ được dùng, Ntấm đỡ = 5. Fống gốm = 2.0,04.(0,90.4 - 0,05.5) = 0,268 [m2]. Vậy: F = 0,72 - 0,268 - 0,05 = 0,402 [m2]. ddây : đường kính của dây điện trở cần xác định, [m]. Với dây điện trở làm bằng vật liệu X13Ю4 thì: ddây = 2 á 9 [mm]. [1] Vậy, ta chọn hai giá trị dmin = 2 [mm] và dmax = 9 [mm] để tính toán hệ số Re. nkk : độ nhớt động học của không khí ứng với tkk = 2500C. nkk = 40,6.10 -6 [m2/s] (bảng 6 - tr 205 - [5]) Vậy, ta có: Khi ddây = 2 [mm] = 2.10 -3 [m] thì: Khi ddây = 9 [mm] = 9.10 -3 [m] thì: Ta nhận thấy, giá trị của hệ số 1000 nên ta cần xác định giá trị của đường kính d mà tại đó giá trị của hệ số Re = 1000. Ta có : ị Vậy: Khi d = 2.10 -3 á 2,61.10-3 [m] thì: Công suất bề mặt riêng của dây điện trở làm việc ở chế độ đối lưu sẽ được tính theo công thức: [W/cm2]. [1] Trong đó: lk : hệ số dẫn nhiệt của không khí ứng với tkk = 250 [0C]. lk = 4,27.10 -2 [W/m.K] (bảng 6 - tr 205 - [5]) wkk : tốc độ không khí thổi qua dây điện trở, wkk = 15,547 [m/s]. d : đường kính dây điện trở, [m]. Dt : Độ chênh nhiệt độ giữa dây điện trở và không khí tuần hoàn, Dt = 300 [0C]. Vậy: [W/cm2]. Wđối lưu = 0,296 . d – 0,54 [W/cm2]. (*) Khi d = 2,61.10 -3 á 9.10-3 [m] thì: Công suất bề mặt riêng của dây điện trở làm việc ở chế độ đối lưu sẽ được tính theo công thức: , [W/cm2]. [1] Trong đó lk : hệ số dẫn nhiệt của không khí ứng với tkk = 250 [0C]. lk = 4,27.10 -2 [W/m.K] (bảng 6 - tr 205 - [5]) wkk : tốc độ không khí thổi qua dây điện trở, wkk = 15,547 [m/s]. d : đường kính dây điện trở, [m]. Dt : Độ chênh nhiệt độ giữa dây điện trở và không khí tuần hoàn, Dt = 300 [0C]. Vậy: , [W/cm2]. Wđối lưu = 0,682 . d – 0,4 [W/cm2]. (**) b) Công suất bề mặt riêng của dây điện trở xác định theo định luật Joule-Lence Wđiện [W/cm2] Wđiện = , [W/cm2]. [1] Trong đó: rt: điện trở suất của dây điện trở ở nhiệt độ làm việc của dây, td. rt = r0 .(1 + a.td) , [W.mm2/m]. với: ro : điện trở suất của dây điện trở ở 0 [0C], r0 = 1,260 [W.mm2/m]. a : hệ số nhiệt điện trở của vật liệu chế tạo dây điện trở, a = 0,150.10 – 3 [1/K]. td : nhiệt độ làm việc của dây điện trở, td = 550 [0C]. vậy: rt = 1,260.(1 + 0,150.10 – 3. 550) = 1,364 [W.mm2/m]. Pnhánh : công suất của một nhánh dây, Pnhánh = 10 [kW]. Unhánh : hiệu điện thế của mỗi nhánh dây, Unhánh = 220 [V]. d : đường kính của dây điện trở, [mm]. Vậy: Wđiện = [W/cm2]. Wđiện = 114,217.d – 3 [W/cm2]. (***) c) Tính công suất bề mặt riêng của dây điện trở theo Wđối lưu và Wđiện Ta chọn một số kích thước đường kính dây (d) và tính W [W/cm2] theo các kích thước này bằng các công thức (*), (**) và (***). Giá trị của Wđôí lưu tính theo các công thức (*), (**) và giá trị của Wđiện tính theo công thức (***) được trình bày trong bảng 6.2. Bảng 6.2. Các giá trị của Wđối lưu và Wđiện tương ứng với một số giá trị đường kính dây. ddây [mm] 2,0 2,2 2,5 2,8 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 Wđối lưu [W/cm2] (*) 8,49 8,06 7,52 7,07 6,81 6,27 5,83 5,48 5,17 4,91 Wđối lưu [W/cm2] (**) 8,19 7,89 7,49 7,16 6,97 6,55 6,21 5,92 5,70 5,47 Wđiện [W/cm2] 14,28 10,73 7,31 5,20 4,23 2,66 1,79 1,25 0,91 0,69 Từ các giá trị Wđl và Wđiện tính được trong bảng 6.2 ta xây dựng được các đường cong Wđl = f(d) và Wđiện = f(d) biểu diễn trên hình 6.4 Hình 6.4. Đồ thị biểu thị mối quan hệ Wđl = f (d) và Wđiện = f (d). 6.2.5. Tính chiều dài của một nhánh dây Trong đó: Pnhánh : công suất của một nhánh dây, Pnhánh = 10 [kW]. Unhánh : hiệu điện thế của nhánh dây, Unhánh = 220 [V]. rt: điện trở suất của dây điện trở ở nhiệt độ làm việc của dây, rt = 1,364 [W.mm2/m]. Wthực tê : công suất bề mặt riêng của một nhánh dây, Wthực tế = 7,31 [W/cm2]. Vậy: lnhánh = 17,42 [m]. 6.2.6. Tính số vòng xoắn cho 1 nhánh dây (Nxoắn) Nxoắn = , [vòng]. Trong đó: lnhánh : chiều dài của 1 nhánh dây, lnhánh = 17,42 [m]. Dxoắn : đường kính của một vòng xoắn, Dxoẵn = fống gốm + DDxoắn , [m]. Với: fống gốm : đường kính của ống gốm quấn dây điện trở, fống gốm = 0,040 [m]. DDxoắn : độ rỗng giữa ống gốm và dây điện trở, DDxoắn = 0,004 [m]. Dxoắn = 0,040 + 0,004 = 0,044 [m]. Vậy: Nxoắn = [vòng]. Nxoắn = 126 [vòng]. 6.2.7. Tính bước xoắn của dây (txoắn) txoắn = , [mm]. Trong đó: Lxoắn : chiều dài dọc theo trục xoắn của 1 nhánh dây, Lxoắn = 3210 [mm]. Nxoắn : số vòng xoắn trong 1 nhánh dây, Nxoắn = 126 [vòng]. txoắn = txoắn = 25,5 [mm]. 6.2.8. Tính khối lượng dây của một nhánh dây (gnhánh) gnhánh = , [kg]. Trong đó: d : đường kính dây điện trở, d = 2,5.10 -3 [m]. lnhánh : chiều dài của một nhánh dây, lnhánh = 17,42 [m]. g : khối lượng riêng của dây điện trở, g = 7200 [kg/m3]. gnhánh = , [kg]. gnhánh = 0,62 [kg]. 6.2.9. Tổng số mét dây điện trở lS = Nnhánh.lnhánh , [m]. Trong đó: Nnhánh : tổng số nhánh dây trong lò, Nnhánh = 12. lnhánh : chiều dài của 1 nhánh dây, lnhánh = 17,42 [m]. lS = 12.17,42 = 209,04 [m]. lS = 209,04 [m]. 6.2.10. Tổng khối lượng dây điện trở GS = Nnhánh.gnhánh , [kg]. Trong đó: Nnhánh : tổng số nhánh dây trong lò, Nnhánh = 12. gnhánh : khối lượng của 1 nhánh dây, gnhánh = 0,62 [kg]. GS = 12.0,62 = 7,44 [kg]. GS = 7,44 [kg]. Bảng 6.3. Bảng tổng kết số liệu tính toán dây điện trở. STT Các đại lượng đặc trưng Ký hiệu Giá trị Đơn vị 1 Vật liệu chế tạo dây điện trở X13Ю4 2 Tốc độ không khí tuần hoàn wkk 15,547 [m/s] 3 Nhiệt độ dây điện trở tđ 550 [0C] 4 Đường kính dây điện trở d 2,50 [mm] 5 Bước xoắn txoắn 25,5 [mm] 6 Đường kính vòng xoắn Dxoắn 44 [mm] 7 Chiều dài một nhánh dây lnhánh 17,42 [m] 8 Tổng chiều dài dây điện trở lS 209,04 [m] 9 Chiều dài một nhánh dây theo trục xoắn Lxoắn 3210 [mm] 10 Số vòng xoắn của một nhánh dây Nxoắn 126 [vòng] 11 Khối lượng của một nhánh dây gnhánh 0,62 [kg] 12 Tổng khối lượng dây điện trở GS 7,44 [kg] Chương 7 Đo và khống chế chế độ nhiệt độ của lò. 7.1. khái niệm chung về đo nhiệt độ 7.1.1. Khái niệm chung về đo nhiệt độ Khi nhiệt độ của một hệ thống thay đổi thì các tính chất vật lý của hệ thống đó cũng thay đổi theo. Nếu những thay đổi này là đơn trị đối với nhiệt độ thì ta có thể căn cứ vào sự thay đổi các tính chất vật lý này để xác định nhiệt độ của hệ thống. Nhưng đa số các trường hợp, các tính chất vật lý của hệ thống không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào các điều kiện khác. Vì vậy, để xác định được nhiệt độ của hệ thống ta phải sử dụng các dụng cụ đo (thiết bị đo) mà tính chất vật lý cũng như sự thay đổi các tính chất vật lý của nó theo nhiệt độ phải được biết trước. Khi xác định nhiệt độ của một hệ thống nào đó, ta giả thiết rằng giữa hệ thống và thiết bị đo có sự cân bằng hoàn toàn về nhiệt độ nhưng thực tế khó có thể đạt được sự cân bằng đó. Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ, nhưng dựa trên yêu cầu nhiệt độ cần đo và độ chính xác của dụng cụ đo nhiệt độ, người ta thường dùng hai phương pháp đo nhiệt độ sau: Đo tiếp xúc và đo không tiếp xúc. Phương pháp đo nhiệt độ tiếp xúc: Là phương pháp đo mà đầu đo (bộ phận nhận tín hiệu) của dụng cụ đo được đặt trực tiếp trong môi trường cần đo nhiệt độ. Điều kiện đo ở đây là phải đảm bảo cân bằng nhiệt độ giữa đầu đo và môi trường cần đo nhiệt độ. Phương pháp đo nhiệt độ không tiếp xúc: Là phương pháp đo mà đầu đo không đòi hỏi phải tiếp xúc với môi trường cần đo nhiệt độ. Mỗi phương pháp đo nhiệt độ lại có những nguyên tắc đo nhiệt độ khác nhau, ứng với mỗi nguyên tắc đo nhiệt độ ta có những loại thiết bị đo (nhiệt kế) tương ứng: - Nhiệt kế áp suất. - Nhiệt kế điện trở. - Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (cặp nhiệt điện). - Nhiệt kế quang học... Mỗi nguyên tắc đo nhiệt độ đều có những đặc tính và điều kiện đo khác nhau. Do vậy, khi đo nhiệt độ ta phải căn cứ vào: Giới hạn nhiệt độ cần đo, tính chất của môi trường cần đo nhiệt độ, yêu cầu về độ chính xác mà phép đo nhiệt độ cần đạt được, . . . mà lựa chọn phương pháp đo nhiệt độ và nhiệt kế cho phù hợp. Trong đồ án này, nhiệt độ của không khí nóng tuần hoàn trong lò là tkk = 250 [0C] nên ta chọn phương pháp đo nhiệt độ tiếp xúc dựa trên nguyên tắc đo hiệu quả nhiệt điện bằng cặp nhiệt điện XA (Crômen - Alumen). 7.1.2. Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện XA a) Nguyên lý đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt Cặp nhiệt điện được cấu tạo bằng hai dây dẫn khác loại, hai dây dẫn này được hàn với nhau ở một đầu để tại nơi làm việc có nhiệt độ t (thường gọi là đầu nóng). Hai đầu còn lại để nguyên có nhiệt độ t0 cố định (thường gọi là đầu tự do) được nối với đồng hồ đo sức điện động sinh ra. Do có sự chênh nhiệt độ giữa hai đầu: đầu nóng và đầu tự do nên giữa hai đầu tự do (đầu có nhiệt độ t0) xuất hiện độ chênh điện áp. Độ chênh điện áp này có quan hệ tỉ lệ với độ chênh nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu tự do. Mỗi loại cặp nhiệt có quan hệ tỉ lệ riêng biệt. Ta dựa vào độ chênh điện áp giữa hai đầu tự do để xác định nhiệt độ của đầu nóng ( khi nhiệt độ của đầu tự do t0 đã biết). b) Cấu tạo của cặp nhiệt điện XA Cặp nhiệt điện XA có : - Cực dương (+): Là hợp kim Crômen (80 % Ni + 10 % Cr + 10 % Fe). - Cực âm ( - ): Là hợp kim Alumen (95 % Ni + 5 % Al, Si, Mn). Cặp nhiệt điện XA có giới hạn đo nhiệt độ: - Khi đo ngắn hạn: tmax = 1100 [0C]. - Khi đo dài hạn: tmax = 900 á 1000 [0C]. - Khi đo trong môi trường hoàn nguyên: tmax = 700 [0C]. Kích thước của cặp nhiệt điện XA: ddây = 1 á 3 [mm]. Quan hệ giữa sức nhiệt điện động của cặp nhiệt điện XA và nhiệt độ đo được trình bày trong bảng 7.1 và trên hình 7.1. Bảng 7.1. Quan hệ giữa sức nhiệt điện động và nhiệt độ của cặp nhiệt XA. Nhiệt độ t [0C] Sức nhiệt điện động E [mV] Nhiệt độ t [0C] Sức nhiệt điện động E [mV] 100 4,10 800 33,32 200 8,13 900 37,37 300 12,21 1000 41,32 400 16,40 1100 45,16 500 20,65 1200 48,87 600 24,91 1300 52,42 700 29,15 1400 - Hình 7.1. Quan hệ giữa sức nhiệt điện động và nhiệt độ của cặp nhiệt XA. c) Bù nhiệt độ cho cặp nhiệt XA Do sức nhiệt điện động của cặp nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của đầu nóng (t) và nhiệt độ đầu tự do (t0) nên để đo được nhiệt độ một cách chính xác ta cần giữ nhiệt độ đầu tự do (t0) cố định. Nếu đầu tự do nằm gần sát lò, tủ sấy, . . . thì t0 có giá trị cao và không ổn định. Ta có thể kéo dài các cực của cặp nhiệt nhưng như vậy sẽ tốn kém vì giá thành của vật liệu làm cực thường rất đắt. Để khắc phục nhược điểm này, ta dùng một cặp dây nối để kéo dài cặp nhiệt ra nhưng không gây sai số, cặp dây dẫn nối đó gọi là dây bù. Các tính chất nhiệt điện của cặp dây bù phải gần giống tính chất nhiệt điện của cặp nhiệt điện. Đối với cặp nhiệt điện XA, ta sử dụng cặp dây dẫn bù sau: - Cực dương: Vật liệu làm dây bù là đồng. - Cực âm: Vật liệu làm dây bù là constantan (60% Cu + 40% Ni). d) Các dụng cụ thứ cấp làm việc với cặp nhiệt điện Ngoài cặp nhiệt điện và dây dẫn bù, để đo nhiệt độ ta phải sử dụng đồng hồ đo (dụng cụ thứ cấp). Các đồng hồ đo thường được sử dụng là: milivôn kế, điện thế kế, . . . Với cặp nhiệt điện XA đã chọn ta dùng đồng hồ đo là milivôn kế. Sơ đồ nguyên lý mắc cặp nhiệt điện XA với milivôn kế và dây dẫn bù được trình bày trên hình 7.2. Hình 7.2. Sơ đồ nguyên lý mắc cặp nhiệt điện XA với milivôn kế. 7.2. Sơ đồ mạch động lực cấp điện cho lò Để lò có thể hoạt động được, ta cần cung cấp điện cho dây điện trở, quạt gió và các thiết bị điện khác có chức năng: báo hiệu, bảo vệ, khống chế chế độ nhiệt độ của lò, . . . Khi cho lò hoạt động, trước tiên ta phải cho chạy quạt rồi mới cấp điện cho dây nung. Nếu quạt chưa chạy, ta không được cho dây điện trở làm việc vì khi đó chưa có không khí tuần hoàn nên nhiệt lượng do dây điện trở toả ra sẽ không được lấy đi làm cho nhiệt độ của dây tăng lên quá nhiệt độ cho phép gây hỏng dây điện trở. Sơ đồ mạch động lực cấp điện cho lò được trình bày trên hình 7.3. 7.2.1. Hoạt động của hệ thống cung cấp nguồn điện Khi đóng cầu dao CD, dòng điện sẽ đi qua cầu chì chính CC và cấp điện tới đầu công tắc CT1. Đóng công tắc CT1, dòng điện qua cầu chì CC1 và vào hệ cung cấp nguồn điện, do K5 là tiếp điểm thường đóng nên đèn xanh sáng, K6 là tiếp điểm thường mở nên đèn đỏ không có điện. Các tín hiệu của đèn báo cho ta biết đã có điện vào hệ nguồn nhưng điện chưa được cấp cho các hệ quạt, hệ dây điện trở. Đóng công tắc MK , cuộn hút của rơle K có điện sẽ đóng các tiếp điểm thường mở K1, K2 và K3. Đồng thời, tiếp điểm thường đóng K5 được mở ra nên đèn xanh tắt, tiếp điểm K6 đóng lại nên đèn đỏ sáng báo hiệu hệ cung cấp nguồn điện đã cấp điện tới đầu các tiếp điểm thường mở Q1, Q2 và Q3. 7.2.2. Hoạt động của hệ thống điều khiển cấp điện cho quạt Sau khi MK đóng, dòng điện đi qua cầu chì CC2, do Q5 là tiếp điểm thường đóng nên đèn xanh của hệ quạt sáng, Q6 là tiếp điểm thường mở nên đèn đỏ của hệ quạt không có điện. Các tín hiệu này báo cho ta biết hệ thống điều khiển cấp điện cho quạt đã có điện. Đóng công tắc MQ, cuộn hút của rơle Q có điện sẽ đóng các tiếp điểm thường mở Q1, Q2, Q3. Lúc này, quạt bắt đầu chạy và đồng thời tiếp điểm thường đóng Q5 được mở ra nên đèn xanh tắt, tiếp điểm thường mở Q6 đóng lại nên đèn đỏ sáng báo hiệu hệ thống điều khiển cấp điện cho quạt đã cấp điện tới đầu các tiếp điểm thường mở KA1, KA2, KA3 và KB1, KB2, KB3 của hệ thống điều khiển cấp điện cho dây điện trở và khống chế chế độ nhiệt độ của lò. 7.2.3. Hoạt động của hệ thống điều khiển cấp điện cho dây điện trở và đo - khống chế chế độ nhiệt độ của lò a) Điều khiển cấp điện cho dây điện trở Sau khi chạy, dòng điện đi qua cầu chì CC3 vào hệ điều khiển cấp điện cho dây điện trở và khống chế chế độ nhiệt độ của lò. Khi đó, do Z3 là tiếp điểm thường đóng nên đèn xanh sáng, Z4 là tiếp điểm thường mở nên đèn đỏ không sáng. Các tín hiệu đèn này, báo cho ta biết điện đã được cấp tới hệ điều khiển cấp điện cho dây điện trở và khống chế chế độ nhiệt độ của lò. Để cấp điện cho dây điện trở, ta bật áptômat ON – OFF về vị trí làm việc ON. Khi đó cuộn hút của rơle Z có điện, cuộn hút Z có điện sẽ đóng các công tắc công tắc thường mở Z1 và Z2 cấp điện cho cuộn hút của các rơle KA và KB. Các cuộn hút KA, KB có điện sẽ đóng các tiếp điểm thường mở KA1, KA2, KA3 và KB1, KB2, KB3 để cấp điện cho dây điện trở. Đồng thời cuộn hút Z cũng đóng tiếp điểm thường mở Z4 lại nên đèn đỏ sáng, tiếp điểm thường đóng Z3 được mở ra nên đèn xanh tắt. Các tín hiệu này, báo cho ta biết bộ dây điện trở đã bắt đầu làm việc. b) Đo và khống chế chế độ nhiệt độ của lò Để đo nhiệt độ của lò, ta dùng cặp nhiệt điện T (cặp XA) với các đặc tính kỹ thuật đã trình bày ở phần 7.1.2. Tín hiệu nhiệt độ được truyền về bộ phận đo và khống chế nhiệt độ (ĐKC), nhiệt độ được chỉ thị trên đồng hồ sẽ được nạp vào bộ phận so sánh của thiết bị đo và khống chế nhiệt độ. Khi nhiệt độ của lò nhỏ hơn nhiệt độ yêu cầu (nhiệt độ đặt) thì tiếp điểm C ở trạng thái đóng, lò hoạt động bình thường. Khi nhiệt độ của lò cao hơn nhiệt độ đặt, tiếp điểm C sẽ mở ra, cuộn hút Z mất điện. Do cuộn hút Z mất điện nên các tiếp điểm Z1, Z2 sẽ mở dẫn đến các cuộn hút KA và KB không được cấp điện và khi đó các tiếp điểm KA1, KA2, KA3 và KB1, KB2, KB3 sẽ mở ra nên bộ dây điện trở không được cấp điện, lò ngừng cấp nhiệt, nhiệt độ của lò giảm dần. Khi nhiệt độ của lò xuống thấp hơn nhiệt độ đặt thì tiếp điểm C sẽ đóng lại cấp điện cho cuộn hút Z. Cuộn hút Z có điện sẽ đóng các tiếp điểm Z1, Z2 để cấp điện cho các cuộn hút KA và KB. Khi KA và KB có điện sẽ đóng các tiếp điểm KA1, KA2, KA3 và KB1, KB2, KB3 lại và điện được cấp cho bộ dây điện trở, bộ dây điện trở tiếp tục làm việc. Quá trình được lặp đi lặp lại theo chu kỳ và cứ thế nhiệt độ lò được khống chế theo yêu cầu công nghệ. Tuy nhiên, trong quá trình làm việc của lò thì khi đã đạt được nhiệt độ yêu cầu, ta chỉ cần cấp cho lò một lượng nhiệt nhỏ để bù lại lượng nhiệt bị tổn thất do đó không cần sử dụng hết toàn bộ công suất thiết kế mà chỉ cần sử dụng một phần công suất này. Khi đó, ta tắt một trong hai công tắc CTKA hoặc CTKB để cắt nguồn điện cung cấp cho cuộn hút KA hoặc KB thì sẽ khống chế được lượng nhiệt cấp cho lò. Việc thực hiện này, giúp giảm được số lần tác động của bộ khống chế nhiệt độ ĐKC do đó sẽ làm tăng tuổi thọ của bộ khống chế và tuổi thọ của lò. Khi không muốn khống chế nhiệt độ của lò, ta ngắt bộ phận khống chế (ĐKC) ra khỏi tiếp điểm C. Khi muốn dừng lò ta ấn nút ĐK ở hệ cung cấp nguồn điện. Khi đó, cuộn hút K sẽ mất điện và các tiếp điểm K1, K2, K3 sẽ mở ra, lò ngừng làm việc. Muốn cho lò làm việc trở lại, ta thực hiện lại các thao tác đã trình bày ở trên. 7.2.4. Hoạt động của hệ thống bảo vệ sự cố Để bảo vệ lò mỗi khi có sự cố ngắn mạch hay chạm chập, ta sử dụng một hệ thống đo tín hiệu sự cố BV, hệ thống này sẽ truyền tín hiệu sự cố về cuộn hút BV của nó. Khi xảy ra sự cố, cuộn hút BV có điện sẽ đóng các tiếp điểm thường mở BV1, BV2, BV3 (tuỳ theo sự cố xảy ra ở pha nào) và cấp điện cho cuộn hút RI. Khi cuộn hút RI có điện sẽ mở tiếp điện thường đóng RI làm cho cuộn hút K mất điện. Khi đó các tiếp điểm K1, K2, K3 sẽ mở ra và ngắt điện toàn lò để xử lý sự cố. Sau khi xử lý sự cố xong, ta lần lượt thực hiện lại các thao tác ban đầu để khởi động lại lò. Kết luận Sau khi nghiên cứu, tìm hiểu các đặc điểm kỹ thuật và nguyên lý làm việc của các lò điện trở cũng như công nghệ chế tạo dây cáp nhôm ở nước ta hiện nay, em đã tiến hành thiết kế, tính toán các thông số kỹ thuật của lò điện trở có không khí tuần hoàn cưỡng bức để ủ rulô cáp nhôm theo đúng các nội dung, yêu cầu của đề tài đồ án tốt nghiệp được giao. Trong quá trình thiết kế, tính toán em đã cân nhắc để lựa chọn được phương án tối ưu và phù hợp nhất với điều kiện làm việc ở nước ta. Các phương pháp tính toán và các số liệu thực nghiệm được lấy đều dựa trên cơ sở những kiến thức được trang bị và các tài liệu tham khảo. Việc tính toán, thiết kế tốt nghiệp đã giúp em vận dụng được những kiến thức đã học vào thực tế đồng thời giúp em trưởng thành hơn, vững vàng hơn khi nhận các nhiệm vụ thiết kế sau này. Cuối cùng, một lần nữa, em xin gửi tới PGS. TS. Phạm Văn Trí lòng biết ơn sâu sắc. Em xin gửi tới các thầy cô giáo, gia đình và bạn bè những lời cảm ơn chân thành nhất. Tài liệu tham khảo [1]. Lương Văn Đề. Lò điện. Đại học bách khoa Hà Nội, Hà Nội 1978. [2]. Phạm Văn Trí – Dương Đức Hồng – Nguyễn Công Cẩn. Lò công nghiệp. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 1999. [3]. Nguyễn Công Cẩn. Thiết kế lò nung kim loại. Đại học bách khoa Hà Nội, Hà Nội 1978. [4]. Lê Xuân Khuông – Mai Kỷ. Luyện nhôm. Đại học bách khoa Hà Nội, Hà Nội 1969. [5]. Đặng Quốc Phú – Trần Thế Sơn – Trần Văn Phú. Truyền nhiệt. Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội 1999. [6]. Bùi Hải – Phạm Lê Dần. Nhiệt động kỹ thuật. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2000. [7]. Nguyễn Đức Lợi – Vũ Diễm Hương – Nguyễn Khắc Xương. Vật liệu kĩ thuật nhiệt và kĩ thuật lạnh. Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội 1998. [8]. Bùi Tiến Đạt – Phạm Trường Cát – Nguyễn Đức Dũng. Thử nghiệm lò nấu nhôm dùng gas công nghiệp và hoàn thiện dây chuyền công nghệ sản xuất dây cáp nhôm. Báo cáo tổng kết dự án sản xuất thử – thử nghiệm. Công ty cơ điện Trần Phú, Hà Nội 2003. [9]. Doc. Ing. Miroslav Rédr. Tepelné výpoč ty a optimalizace vyzdúek prumysloych pecí. Praha, 1975. [10]. S. N. Šorin. Sdílení tepla. Praha, 1968. Mục lục Tiêu đề Trang Lời nói đầu Chương 1. nhôm và công nghệ sản xuất dây cáp nhôm 1.1. Tính chất và vai trò của nhôm trong đời sống – kĩ thuật 1 1.1.1. Tính chất của nhôm 1 1.1.2. Vai trò của nhôm trong đời sống – kĩ thuật 4 1.2. Tình hình sản xuất – tiêu thụ và công nghệ chế tạo cáp nhôm ở nước ta hiện nay 4 1.2.1. Tình hình sản xuất – tiêu thụ cáp nhôm ở nước ta hiện nay 4 1.2.2. Công nghệ sản xuất dây cáp nhôm 5 Chương 2. tổng quan về lò điện và lò điện trở 2.1. Lò điện và lĩnh vực sử dụng của lò điện 6 2.1.1. Lò điện và đặc điểm của lò điện 6 2.1.2. Lĩnh vực sử dụng của lò điện 7 2.2. Các phương pháp biến đổi điện năng thành nhiệt năng 7 2.2.1. Phương pháp điện trở 8 2.2.2. Phương pháp cảm ứng 8 2.2.3. Phương pháp hồ quang điện 9 2.2.4. Phương pháp điện môi 10 2.2.5. Phương pháp Plasma 11 2.3. Phân loại lò điện 11 2.3.1. Phân loại lò điện 11 2.3.2. Sơ đồ phân loại lò điện 12 2.4. Vật liệu chế tạo dây điện trở 13 2.4.1. Yêu cầu của vật liệu chế tạo dây điện trở 13 2.4.2. Vật liệu kim loại 13 2.4.3. Vật liệu phi kim loại 16 2.4.4. Cấu trúc của dây điện trở kim loại 18 2.4.5. Các kiểu bố trí dây điện trở trong lò 22 2.5. Công suất bề mặt riêng của vật liệu chế tạo dây điện trở 23 2.5.1. Công suất bề mặt riêng của dây điện trở lí tưởng 23 2.5.2. Công suất bề mặt riêng của dây điện trở thực 25 Chương 3. chọn cấu trúc lò và tính toán các kích thước cơ bản của lò 3.1. Chọn cấu trúc lò 29 3.1.1. Cơ sở lựa chọn cấu trúc lò 29 3.1.2. Chọn cấu trúc lò 30 3.2. Tính toán các kích thước cơ bản của lò 32 3.2.1. Tính kích thước nội hình lò 32 3.2.2. Tính các kích thước ngoại hình lò 37 3.3. Cấu trúc của lò 42 Chương 4. tính thời gian nung kim loại 43 4.1. Các số liệu ban đầu 43 4.2. Chọn phương pháp nung và giản đồ nung 43 4.2.1. Phương pháp nung 43 4.2.2. Giản đồ nung 44 4.3. Tính thời gian nung 45 4.3.1. Nhiệt độ trung bình của bề mặt vật nung 45 4.3.2. Tính hệ số trao đổi nhiệt đối lưu 45 4.3.3. Tính hệ số trao đổi nhiệt bức xạ 49 4.3.4. Tính hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng 51 4.3.5. Tính thời gian nung 51 Nhận xét 57 Chương 5. tính toán cân bằng nhiệt và xác định công suất điện của lò 58 5.1. Tính toán cân bằng nhiệt của lò 58 5.1.1. Lượng nhiệt để nung dây cáp nhôm 58 5.1.2. Lượng nhiệt để nung thép làm lõi các rulô 59 5.1.3. Lượng nhiệt để nung không khí 60 5.1.4. Lượng nhiệt tổn thất do tích nhiệt trong tường lò, đáy lò và nóc lò 63 5.1.5. Lượng nhiệt tổn thất do dẫn nhiệt qua tường lò, đáy lò và nóc lò 64 5.1.6. Tổng lượng nhiệt mà lò cần cung cấp 66 5.1.7. Lập bảng cân bằng nhiệt của lò 66 5.2. Xác định công suất điện của lò 67 5.2.1. Xác định công suất nhiệt của lò 67 5.2.2. Xác định công suất điện của lò 67 Chương 6. tính toán dây điện trở làm việc ở chế độ trao đổi nhiệt đối lưu 6.1. Các số liệu ban đầu 68 6.2. Tính toán dây điện trở làm việc ở chế độ trao đổi nhiệt đối lưu 68 6.2.1. Phân bố công suất điện và chọn cách đấu dây 68 6.2.2. Chọn vật liệu chế tạo dây điện trở 70 6.2.3. Chọn cấu trúc dây và cách bố trí dây 71 6.2.4. Tính công suất bề mặt riêng của dây điện trở 72 6.2.5. Tính chiều dài của một nhánh dây 78 6.2.6. Tính số vòng xoắn cho một nhánh dây 78 6.2.7. Tính bước xoắn của dây 79 6.2.8. Tính khối lượng dây của một nhánh dây 79 6.2.9. Tổng số mét dây điện trở 80 6.2.10. Tổng khối lượng dây điện trở 80 Chương 7. đo và khống chế chế độ nhiệt độ của lò 7.1. Khái niệm chung về đo nhiệt độ 81 7.1.1. Khái niệm chung về đo nhiệt độ 81 7.1.2. Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt XA 82 7.2. Sơ đồ mạch động lực cấp điện cho lò 85 7.2.1. Hoạt động của hệ thống cung cấp nguồn điện 85 7.2.2. Hoạt động của hệ thống điều khiển cấp điện cho dây điện trở 85 7.2.3. Hoạt động của hệ thống đo và khống chế nhiệt độ của lò 86 7.2.4. Hoạt động của hệ thống bảo vệ sự cố 87 Kết luận 88 Tài liệu tham khảo 89