CHƯƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KĨ THUẬT ĐIỆN NHIỆT §1 Khái niệm Định nghĩa Kỹ thuật điện nhiệt kỹ thuật biến đổi điện thành nhiệt dựa sở định luật vật lý Lĩnh vực sử dụng Kĩ thuật điện - nhiệt ứng dụng nhiều sản xuất sinh hoạt Ví dụ: nhà máy xí nghiệp thường gặp lị điện trở, thiết bị sấy, thiết bị nung nóng Trong luyện kim gặp lò điện làm việc theo nguyên lý khác Trong sinh hoạt gặp thiết bị nung nóng nước, nồi cơm điện, bình nóng lạnh, sưởi ấm, lị vi sóng… Kỹ thuật điện nhiệt sử dụng lượng điện lớn, lò luyện kim Bởi tính tốn thiết kế thiết bị điện nhiệt hợp lý tiết kiệm lượng điện 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 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 có dịng điện I chạy qua dây đốt có điện trở R thời gian τ , đơn vị : I(A), R( Ω ), τ (s) Q ( J) có mối quan hệ: 1J = Ws = 0,24cal Bản thân phương pháp phân thành: a Phương pháp điện trở gián tiếp: có dòng điện qua điện trở toả nhiệt năng, nhiệt dùng để nung nóng vật b Phương pháp điện trở trực tiếp: dịng điện trực tiếp qua vật nung, nhờ có điện trở vật mà vật nung nóng 2.Thiết bị nhiệt làm việc theo nguyên lý cảm ứng - Dựa vào định luật cảm ứng: vật dẫn đặt từ trường biến thiên vật cảm ứng dòng điện vật 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: lượng nhiệt tạo nhờ hồ quang sinh điện cực Phương pháp hồ quang 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 mơi Hình trình bày ngun lý làm việc: vật nung loại không dẫn điện bán dẫn đặt không gian hai má tụ điện Tụ điện nối với nguồn áp có tần số siêu cao hàng chục hàng trăm hàng nghìn MHz, tác dụng từ trường biến thiên với tần số siêu cao vật có dịng điện dịch, kết vật nung nóng Đặc điểm nung nóng phương pháp điện mơi nung nóng đồng tồn vật nung, nhờ 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 lị vi sóng dùng nấu nướng nhanh, thiết b kh trựng y t Nguồn p siêu cao tần Vật đuợ c nung Má tụ điện Hỡnh Phương pháp điện tử Năng lượng điện biến thiên, nhiệt va chạm dòng điện tử gia tốc cao trường điện với vật gia cơng ( vật nung nóng) Phương pháp điện tử thực buồng chân không cao, luồng điện tử tập trung thành nhũng chùm hẹp với lượng cao khoảng × 108 KW/cm2 tức hàng 1000 lần lớn lò hồ quang Phương pháp thực thiết bị súng điện trở, để hàn chi tiết cực nhỏ, để tạo hợp kim đặc biệt tinh khiết từ chất đặc biệt cứng Tantan, moliphden… 6.Phương pháp laser : Light Amphificatin by Stimulated Emission of Radium: viết tắt LASER có nghĩa khuyếch đại ánh sáng cưỡng Laser phát minh lớn kỷ 20 Năm 1917 nhà bác học Aber Einstein đề nguyên lý xạ cưỡng Theo nguyên lý xạ ánh sáng, phát màu bị nung nóng nguyên tử electron từ mức lượng thấp nhảy sang mức lượng cao, từ cao nhảy thấp phát xạ Ngun lý biểu diễn cơng thức Einstein E2 - E1= hv Trong đó: E1,E2: mức lượng điện tử h- số Planck v- tần số Hiệu số E2 – E1 lớn tần số lớn, tức bước sóng nhỏ, ánh sáng tử bước sóng lớn ( màu đỏ) chuyển dần sang bước sóng nhỏ ( màu tím) Bây dùng phương pháp cưỡng cho hàng tỉ tỉ nguyên tử nhảy lên mức lượng cao nhảy mức phát thứ ánh sáng đơn sắc ( lượng, bước sóng) Đó nguyên lý máy Laser Chiếc máy Laser đời vào 1960 kỹ sư người Mỹ tên Theodore Maiman có sơ đồ nguyên lý hình 1.2 Hình 1.2 1.Thanh hồng ngọc nhân tạo (AL2O3 + 0,05% Neodym ) Ống thuỷ tinh, chứa khí xenon 3.C tụ điện Bộ phận chủ yếu Hồng ngọc ( Rubi ) dài 30 cm, đường kính 1,5 cm, hồng ngọc nhân tạo gồm Al2O3 trộn với 0,05% chất Neodym, quanh ống thuỷ tinh đựng khí xenon Hai đầu ống nối với tụ điện Khi áp tụ tăng tới mức khí xenon ống thuỷ tinh phát sáng kích thích nguyên tử neodym, hồng ngọc phát sáng tia sáng màu đỏ có độ sáng gấp hàng trăm lần độ sáng bề mặt trời Công suất đạt hàng tỉ watt Đó tia Laser Laser phát triển nhanh chóng, gồm số thể loại sau: a.Dùng laser khí: loại thơng dụng- mơi trường khuyếch đại chất khí Sự kích thích dựa vào phóng điện chất khí Loại Laser He – Ne - Ar thường dùng đo đạc không cần công suất lớn, cần độ tập trung cao Loại Laser khí CO2, phạm vi xạ hồng ngoại có suất cao, dùng nhiều việc, gia cơng vật liệu b Laser rắn: môi trường khuyếch đại chất rắn, ví dụ máy Laser maiman nêu Loại có cơng suất lớn dùng công nghiệp để cắt, khoan vật liệu rắn, gia công vật liệu Trong y tế để phẫu thuật, dùng quân vũ trụ c Laser lỏng: hai loại cịn dùng loại có mơi trường phát laser chất lỏng, phát laser có bước sóng thay đổi tạo nhiều màu sắc đặc trưng dùng trang trí, nhà hàng Laser coi cơng cụ kỳ diệu kỹ thuật đại Phương pháp laser tạo tập trung lượng cao phương pháp Nó làm việc theo chế độ xung Năng lượng xung không cao nhờ đường kính xung nhỏ khoảng ÷ μ mvới lượng khoảng 30 Jun thời gian ngắn khoảng 0,1 ns đủ đốt vật đến nhiều nghìn độ đủ để nóng chảy, bay hợp kim cứng nhất, dùng đục lỗ, hàn chi tiết… Ưu điểm phương pháp Laser làm việc môi trường không khí, bị tác động mơi trường so với phương pháp điện tử Tuy nhiên thiết bị Laser công suất lớn hiệu suất đạt ( 0,5 ÷1 )% Ở Việt Nam thành lập trung tâm công nghệ Laser ( NACENLAS) năm 1984, lắp ráp chế tạo thành công thiết bị Laser điều trị y tế loại He - Ne có cơng suất từ mW - mW chuyển giao cho bệnh viện, chế tạo thiết bị Laser tan sỏi thận thể, thiết bị Laser phẫu thuật, thiết bị Laser diot 1W nhiều thiết bị Laser khác Phương pháp plasma Năng lượng điện biến vào nhiệt dịng vật chất bị ion hố tác dụng điện trường điện cực áp suất lớn tốc độ cao dòng plasma Do bị ion hố nén thể tích khơng lớn nên mật độ nhiệt lớn, cho phép tạo nhiệt độ tới hàng vạn độ Phương pháp dùng thiết bị hàn cắt kim loại, hợp kim cứng §3 Ưu điểm nhược điểm kỹ thuật điện nhiệt Ưu điểm - Do lượng tập trung thể tích nhỏ nên tạo nhiệt độ cao - Tạo q trình nhiệt luyện chân khơng mơi trường có khí bảo vệ tránh tổn hao nâng cao chất lượng - Tạo tốc độ nung nóng cao suất cao - Có khả điều chỉnh nhiệt độ phạm vi rộng độ xác cao - Tạo khả tự động hố cao q trình cơng nghệ - Cải thiện điều kiện lao động Và ưu điểm khác Nhược điểm - Dùng lượng có giá thường cao dạng nhiên liệu than, dầu khí - Thiết bị điện nhiệt có nhiều loại giá thành cao - Để vận hành địi hỏi phải có trình độ §4 Hai thang nhiệt độ Trong đo nhiệt độ, đưa hai thang đo phổ biến, hai thang dựa điểm nhiệt độ bản: - Nhiệt độ sôi oxy lỏng - 182,97 0C - Nhiệt độ tan nước đá - 0,001 0C - Nhiệt độ sôi nước 100 0C - Nhiệt độ sôi lưu huỳnh 444,6 0C - Nhiệt độ đông đặc bạc 960,8 0C - Nhiệt độ đông đặc vàng 1065 0C Thang nhiệt độ bách phân gọi thang nhiệt độ ( 0C) Sử dụng hai điểm mà nước đá thay đổi pha điểm nước đá tan lấy 0C điểm sôi 100 0C, chia làm 100 phần, phần 0C Ký hiệu thang nhiệt độ C là: t Thang nhiệt độ nhiệt động tuyệt đối, gọi thang nhiệt độ Kenvil hay thang nhiệt độ 0K Thang nhiệt độ lấy điểm tam giao nước làm điểm chuẩn 2730,160K Điểm tam giao điểm có cân nhiệt độ ba pha nước Đó pha cứng- lỏng- Có quan hệ nhiệt độ 0K nhiệt độ C là: T ( 0K ) =[ 273,16 + t ( C) ] 0K Điểm đầu (điểm ) nhiệt K điểm tuyệt đối nhiệt độ K §5 Phân loại thiết bị điện nhiệt Để tiện cho quản lý thiết bị điện nhiệt phân loại theo số đặc tính sau: 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 Phân loại theo tần số dòng điện + Loại dòng 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 Phân theo chức - Loại thiết bị dùng kỹ thuật sấy - Loại thiết bị dùng luyện kim và… CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG TRÌNH NHIỆT TRONG NUNG NĨNG Q trình nung nóng q trình động liên quan tới thay đổi lượng nhiệt vật nung Sẽ xét số quan hệ nung nóng thơng qua phương trình nhiệt sau đây: §1 Phương trình cân nhiệt vật nung nóng Để đơn giản xét trường hợp vật nung đồng chất đẳng nhiệt, coi thông số vật lý ngồi nhiệt độ khơng thay đổi Lúc phương trình cân nhiệt theo 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 vật nung dQ3 - lượng nhiệt bị xung quanh Các thành phần xác định sau: dQ1 = Pdτ Trong đó: P – cơng suất đưa tới vật để nung nóng dQ2 = mcdt τ - thời gian m- khối lượng vật nung nóng c- tỷ nhiệt vật nung nóng dt- thay đổi nhiệt độ vật nung vào môi trường xung quanh dQ3 = KF ( t − t0 ) dτ K- hệ số truyền nhiệt F - diện tích bề mặt truyền nhiệt xung quanh t- nhiệt độ nung nóng t0- nhiệt độ môi trường xung quanh Thay vào phưong trình (1) ta có: Pdτ = mcdt + KF ( t − t0 ) dτ (2) Phương trình (2) cịn gọi phương trình truyền tải cơng suất Chia hai vế cho KF dτ mc dt P + t − (t0 + )=0 KF dτ KF mc = T − số thời gian Đặt KF P dt t0 + = ty − nhiệt độ ổn định vật =0 KF dτ Có phương trình: dt → T + t − ty = (3) dτ Biểu thức (3) phương trình cân nhiệt vật nung nóng §2 Phương trình nhiệt độ nung nóng Giải phương trình (3) với điều kiện τ = 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: − τ − τ t = t®.e + ty (1 − e T ) (4) T- số thời gian nung nóng Biểu diễn đường nhiệt độ nung nóng đồ thị hình T t T ty t® t0 Hình 1- Phương trình nhiệt độ nung nóng 2- Phương trình nhiệt độ làm nguội Đường nung nóng nhiệt độ đầu tđ τ = Về lý thuyết để đạt nhiệt độ ổn định ty cần thời gianτ ≈ ∞ Thực tế thời gian τ = ( ÷ 4) T bắt đầu có nhit t = ( 0,95 ữ 0,98) ty Đ3 Phương trình nhiệt độ làm nguội Từ phương trình nhiệt độ nung nóng (4) đặt tđ = ty , ty = t0 - nhiệt độ mơi trường, có phương trình nhiệt độ làm nguội sau: Nhờ có phương trình: − τ − τ t = ty e T + t0 (1 − e T ) (5) T’ số thời gian làm nguội Theo (5) để có t = t0 cần có thời gian τ ≈ ∞ thực tế τ ' = ( ÷ 8) T → t ' = t0 §4 Phương trình tốc độ nung nóng Một đặc trưng nung nóng tốc độ nung nóng Trong luyện kim, gia công chi tiết máy, kỹ thuật sấy… tốc độ nung nóng có ý nghĩa quan trọng đến chất lượng suất q trình Ví dụ, kỹ thuật sấy lúc đầu chọn tốc độ nung nóng q cao khơng hợp lý lớp ngồi sản phẩm khơ nhanh tạo lớp bọc khơng cho nước bốc từ phía … làm cho sản phẩm chất lượng Biểu thức phương trình tốc độ tìm từ phương trình nhiệt độ dt nung nóng cách lấy đạo hàm theo thời gian τ : biểu thức dτ dt ty − t® − τT = e (6) T dτ - Tốc độ nung nóng cực đại: từ phương trình (6) thấy tốc độ nung dt nóng cực đại ( )max đạt thời điểm τ = , tức thời điểm đầu: dτ t −t dt ( )max = y ® T dτ Ở thời điểm đầu chưa có tổn hao nên đường tăng nhiệt gần đường thẳng §6 Thời gian nung nóng τ − τ − τ Từ phương trình nhiệt độ nung nóng t = t®.e T + ty (1 − e T ) xác định thời gian nung nóng τ τ = T ln t y − t® ty − t (7) Theo biểu thức (7) tìm thời gian nung nóng τ tới nhiệt độ t khoảng từ tđ tới ty Trong thực tế xác định số thời gian T, tìm thời gian nung nóng theo kinh nghiệm : τ = ( ÷ 4) T §5 Hằng số thời gian T Hằng số thời gian nung nóng T thơng số quan trọng, giá trị có mc T= - tỷ số để vật đạt tới giá trị nhiệt độ ổn định chế độ KF nung nóng khơng có toả nhiệt mơi trường, xác định T theo phương pháp đồ thị hình Hằng số thời gian T không phụ thuộc vào công suất đưa tới vật mà phụ thuộc vào điều kiện toả nhiệt CHƯƠNG III TÍNH CƠNG SUẤT THIẾT BỊ ĐIỆN NHIỆT VÀ TÍNH CÁCH NHIỆT §1 Cơng suất hữu ích Cơng suất hữu ích Ph cơng suất làm biến đổi lượng nhiệt vật nung để nâng cao nhiệt độ cho vật nung Dựa vào phương trinh truyền tải công suất đưa trên: Pdτ = mcdt + KF ( t − t0 ) dτ Chia cho dτ có dt P = mc + KF ( t − t0 ) dτ Trong đó: P- cơng suất đưa vào để nung nóng vật nung phần tổn hao xung quanh nung nóng thiết bị m- khối lượng vật nung nóng c- tỷ nhiệt vật nung nóng K- hệ số truyền nhiệt xung quanh F- bề mặt truyền nhiệt xung quanh τ - thời gian nung t- nhiệt độ nung t0- nhiệt độ mơi trường Để đơn giản cho tính tốn coi phần tổn hao Tồn nhiệt lượng đưa vào để nung nóng vật tức biến thành cơng suất hữu ích, ta có: dt P = Ph = mc dτ dt Thành phần thời điểm đầu τ = tốc độ nung cực đại dτ t y − t® ⎛ dt ⎞ coi ⎜ ⎟ = T ⎝ dτ ⎠τ =0 ty = t - nhiệt độ nung nóng tđ = t0 - nhiệt độ môi trường T = τ - thời gian nung nóng Có biểu thức sau: → Ph = mc ( t − t0 ) τ (1) Biểu thức (1) tính cơng suất Ph vật Trong lấy đơn vị theo: m (kg), c( J/ 0C kg); t, t0 ( 0C); τ (s) Ph(W) §2 Cơng suất tính tốn (Ptt ) Cơng suất tính tốn Ptt có tính tới thành phần cơng suất tổn hao xung quanh tổn hao để nâng nhiệt độ thiết bị, ta có: Ptt = Ph + ΔPth ΔPth công suất tổn hao gồm hai thành phần: + ΔPmt - tổn hao môi trường xung quanh + ΔPtb - tổn hao nâng nhiệt độ thiết bị §3 Công suất thiết bị Ptb Công suất thiết bị Ptb dùng để tính tốn thiết kế cơng suất Ptt có thêm hệ số dự phịng KZ Ptb = KZ Ptt (3) KZ - thường chọn K Z = 1,10 ÷ 1,15 Trong thực tế đơn giản, theo kinh nghiệm chọn Ptb theo cơng suất hữu ích Ph sau; (4) Ptb = 1,2 Ph §4 Tính cơng suất số q trình nung nóng Đưa số biểu thức để tính cơng suất hữu ích số trình sau đây: Nung nóng có thời gian τ mc ( t − t0 ) → Ph = (5) τ Với: m (kg), c ( J/ C kg), t, t0 (0C ), τ (s) , Ph (W) Nung nóng liên tục (6) Ph = mc (t – t0 ) Nung nóng nóng chảy với thời gian τ m(c( t − t0 ) + a) → Ph = (7) τ ... điểm K đóng cấp điện cho lị Khi nhiệt độ đạt nhiệt độ tmax,tiếp điểm tmin hở, rơle R điện, tiếp điểm R hở công tắc tơ điện, tiếp điểm K hở,lò điện điện Đường tăng giảm nhiệt độ quanh nhiệt độ đặt... quan hệ nhiệt độ 0K nhiệt độ C là: T ( 0K ) =[ 273,16 + t ( C) ] 0K Điểm đầu (điểm ) nhiệt K điểm tuyệt đối nhiệt độ K §5 Phân loại thiết bị điện nhiệt Để tiện cho quản lý thiết bị điện nhiệt phân... Phương pháp điện tử Năng lượng điện biến thiên, nhiệt va chạm dòng điện tử gia tốc cao trường điện với vật gia công ( vật nung nóng) Phương pháp điện tử thực buồng chân không cao, luồng điện tử tập