CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÒ GIA NHIỆT I. Giới thiệu về lò gia nhiệt Lò điện là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng, dùng trong công nghiệp nấu chảy vật liệu, công nghệ nung nóng và trong công nghệ nhiệt luyện. Lò điện được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiêp, trong ngành y tế v. Đặc điểm của lò điện - Có khả năng tạo ra nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung trong một thể tích nhỏ.
- Do nhiệt năng tập trung, nhiệt tập trung nên lò có tốc độ nung nhanh và năng suất cao. - Đảm bảo nung đều, dễ điều chỉnh, khống chế nhiệt và chế độ nhiệt. - Lò đảm bảo được độ kín, có khả năng nung trong chân không hoặc trong môi trường có khí bảo vệ, vì vậy độ cháy tiêu hao kim loại không đáng kể. - Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá ở mức cao.
- Đảm bảo điều kiện vệ sinh: không có bụi, không có khói. Các phương pháp biến đổi điện năng 1.1 Phương pháp điện trở: Phương pháp điện trở dựa trên định luật Joule -Lence: khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn, thì trên dây dẫn toả ra một nhiệt lượng, nhiệt lượng này được tính theo biểu thức: Q = I2Rt [J] Trong đó: I - cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn, A. R- điện trở dây dẫn, Ω; t - thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn, s Nguyên lý làm việc của lò điện trở được biểu diễn trên hình 1. Nguyên lý làm việc của lò điện trở a) Đốt nóng trực tiếp b) đốt nóng gián tiếp 7 1.
Vật liệu được nung nóng trực tiếp; 2. Đầu cấp điện 5. Vật liệu được nung nóng trực tiếp 1.2 Phương pháp cảm ứng Phương pháp cảm ứng dựa trên định luật cảm ứng điện từ Faraday: khi cho dòng điện đi qua cuộn cảm thì điện năng được biến thành năng lượng của từ trường biến thiên. Khi đặt khối kim loại vào trong từ trường biến thiên đó, trong khối kim loại sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng - dòng điện xoáy (dòng Foucault).
Nhiệt năng của dòng điện xoáy sẽ nung nóng khối kim loại. Ngyên lý làm việc của lò cảm ứng được biểu diễn trên hình 1. Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng a) lò cảm ứng có mạch từ b) lò cảm ứng không có mạch từ 1. vòng cảm ứng, 2.
tường lò bằng vật liệu chịu nhiệt 1.3 Phương pháp hồ quang điện Phương pháp hồ quang điện dựa vào ngọn lửa hồ quang điện. Hồ quang điện là một trong những hiện tượng phóng điện qua chất khí. Trong điều kiện bình thường thì chất khí không dẫn điện, nhưng nếu ion hoá khí và dưới tác dụng của điện trường thì khí sẽ dẫn điện. Khi hai điện cực tiếp cận nhau thì giữa chúng sẽ xuất hiện ngọn lửa hồ quang.
Người ta lợi dụng nhiệt năng của ngọn lửa hồ quang này để gia công cho vật nung hoặc nấu chảy. Nguyên lý làm việc của hồ quang điện được biểu diễn trên hình 1. Nguyên lý làm việc của lò quang điện a) lò hồ quang trực tiếp b) lò hồ quang gián tiếp 1. ngọn lửa hồ quang; 3.
vật gia nhiệt (kim loại); 4. Một số loại lò điện thực tế 2. Lò điện trở 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… Hình 1.4 Lò nung điện trở 1200 độ THÔNG SỐ KỸ THUẬT Kích thước ngoài: 400mm x 500mm x 400mm Kích thước trong: 200mm x 200mm x 200mm Nhiệt độ tối đa: 1200 độ C Điện áp vào: 220V, 50Hz Công suất: 3KW 9 2.2 Lò điện cảm ứng Lò cảm ứng, hay còn gọi lò nấu cảm ứng điện từ, lò nung cảm ứng điện từ,. là một loại lò điện sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi cấp nguồn điện cho các vòng dây quấn quanh tường lò sẽ làm xuất hiện từ thông biến thiên bên trong nồi lò. Kim loại trong lò nằm trong vùng từ thông biến thiên sẽ phát trinh dòng điện chạy bên trong, chính dòng điện này sẽ nung nóng và làm chảy kim loại.
Lò cảm ứng có công suất từ dưới 1 kg đến 100 tấn, dùng để nấu gang, thép , đồng , nhôm và các kim loại quý. So với hầu hết các công nghệ nấu chảy kim loại khác, ưu thế của lò nấu cảm ứng là sạch, hiệu quả năng lượng và dễ điều khiển quá trình nấu.5 Lò điện cảm ứng 2.3 Lò hồ quang điện Lò hồ quang điện là loại lò dùng năng lượng của hồ quang điện làm nóng và đun chảy loại vật liệu chất vào lò. Các lò hồ quang điện có công suất từ nhỏ xấp xỉ 1 tấn (dùng trong các xưởng đúc để sản xuất gang thỏi) đến cỡ 400 tấn dùng để luyện thép thứ cấp. Các lò hồ quang điện dùng trong phòng thí nghiệm hay các cơ sở nha khoa có công suất chỉ vài chục gram.
Các lò hồ quang điện công nghiệp có thể đạt đến nhiệt độ 1.272 °F) còn các lò trong phòng thí nghiệm có thể đạt trên 3.6 Lò hồ quang điện 10 III. Phương pháp điều khiển nhiệt độ lò 3.1 Điều khiển kiểu đóng – ngắt (ON-OFF) Khảo sát ví dụ hệ thống điều nhiệt đơn giản nhất cho lò điện gồm rơ le nhiệt (thermostat) và khởi động từ. Điện thế V2 cấp cho dây đốt lò điện được cấp qua khởi động từ SW1. Khi khởi động từ đóng, lò được cấp điện và khi khởi động từ ngắt, lò được ngắt điện.
Cuộn điều khiển của khởi động từ được cấp điện V1 qua tiếp điểm của Rơ le nhiệt đặt trong lò (thực tế thường sử dụng 1 nguồn V(~220VAC) chung cho V1 và V2. Trong quá trình điều khiển nhiệt, rơ le nhiệt sẽ đóng ngắt khi nhiệt độ lò thấp hoặc lớn hơn giá trị đặt. Do đó, làm đóng hoặc ngắt tương ứng khởi động từ để cấp hoặc ngắt điện cho dây đốt lò. Hệ điều khiển này thuộc kiểu đóng - ngắt ( ON- OFF).
Do quán tính của quá trình nhiệt, khi cắt điện đốt lò, nhiệt độ điều khiển vẫn còn tăng thêm một giá trị nào đó và khi đóng điện, nhiệt độ vẫn còn giảm (hình 8). Nhiệt độ của lò có sự thăng giáng quanh giá trị trung bình. Sự thăng dáng này tăng lên khi sự mất nhiệt tăng. Phương pháp điều khiển ON-OFF có độ thăng dáng nhiệt độ điều khiển ~từ vài đến 10 % tuỳ thuộc vào sự mất nhiệt.2 Điều khiển kiểu tương tự Khác với nguyên tắc điều khiển đóng ngắt lò điện qua khởi động từ (kiểu ON- OFF), hệ thống điều nhiệt điện tử cho phép điều khiển liên tục quá trình đốt lò thông qua khoá điện tử.
Như vậy lò được điều khiển đốt bằng các xung điện, có chu kỳ điều khiển được, tuỳ thuộc vào trạng thái nhiệt của lò. Nếu lò chưa đủ nhiệt độ đặt, chu kỳ xung đốt sẽ ngắn. Nếu lò có nhiệt độ tiến tới gần nhiệt độ đặt, chu kỳ đốt sẽ thưa dần. Trong trạng thái dừng, ở nhiệt độ lò bằng nhiệt độ đặt, thiết bị sẽ điều khiển cung cấp cho lò lượng nhiệt chính bằng lượng nhiệt thất thoát (do có truyền nhiệt ra môi trường, do mất nhiệt khi sử dụng lò để gia công sản phẩm).
Có thể thấy nguyên tắc điều khiển này thuộc kiểu PID trong đó chứa các kiểu điều khiển: - Tác động điều khiển tỷ lệ với sai lệch nhiệt độ (P). - Tác động điều khiển liên tục khi có sai lệch nhiệt độ (I). - Tác động điều khiển tỷ lệ với tốc độ sai lệch nhiệt độ (D). Do vậy, phương pháp điều nhiệt này có độ chính xác cao (~ 1%) so với phương pháp điều khiển ON-OFF.
Hệ điều khiển nhiệt bao gồm các mảng chức năng: 11 - Cảm biến nhiệt loại cặp nhiệt điện (Thermocouple): kiểu J hoặc K , có thông số kỹ thuật cho trong bảng 3. - Bộ khuếch đại thế đo trên IC A1. Biến trở P2: OFFSET- MEAS. cho phép chỉnh điểm "0" của thang đo và biến trở P1: GAIN- MEAS.
cho phép chỉnh hệ số khuếch đại của bộ đo. Bộ khuếch đại thế đo cho giá trị thế ra (Cm) âm. - Bộ khuếch đại thế đặt (SP) trên IC A2. Biến trở P4: OFFSET- SET.
cho phép chỉnh điểm "0" của thang đặt và biến trở P5: GAIN- SET. cho phép chỉnh hệ số khuếch đại của thang đặt. Biến trở đặt P3: SETPOT sử dụng để đặt nhiệt độ lò sau khi đã chuẩn nhiệt. Bộ khuếch đại thế đặt cho giá trị thế ra(SP) âm.
- Bộ đo nhiệt độ là bộ đo thế hiện số (Digital Voltmeter), xây dựng trên ADC 10 bits, cho phép chỉ thị trên LED 7 đoạn với 3 1/2 số hạng (Digits), cho phép chỉ thị nhiệt độ tới 1999 oC. - Bộ đo có thể đo nhiệt độ của lò hoặc nhiệt độ đặt, tuỳ thuộc vào vị trí công tắc SW1 - MEAS. - Bộ khuếch đại giá trị sai lệch (e) trên IC A3, cho phép khuếch đại hiệu số giữa thế đặt SP và thế đo Cm để hình thành tín hiệu điều khiển phần công suất. Thế ra của bộ khuếch đại giá trị sai lệch = k.
Trong đó giá trị k có thể chỉnh nhờ P6 - Dải tỷ lệ - PROP. Giả sử nhiệt độ lò cao hơn nhiệt độ đặt, thế ra của bộ khuếch đại đo A1 tác động vào lối vào dương A3, sẽ âm hơn thế ra từ bộ khuếch đại đặt A2. Bộ khuếch đại giá trị sai lệch A3 sẽ tạo thế âm lối ra, qua A4, làm cấm Q3, ngắt tín hiệu kích Triac TR1, làm ngừng đốt lò. Giả sử nhiệt độ lò thấp hơn nhiệt độ đặt, thế ra của bộ khuếch đại đo A1 tác động vào lối vào dương A3, sẽ ít âm hơn thế ra từ bộ khuếch đại đặt A2.
Bộ khuếch đại giá trị sai lệch A3 sẽ cho ra thế dương, qua A4-A, cho phép mở Q3, tạo tín hiệu kích Triac TR1 dẫn, thực hiện cấp điện cho lò. Việc điều khiển đốt lò được đồng bộ bởi các máy phát xung. Máy phát xung đa hài tần số 1kHz cho phép biến đổi thế điều khiển từ lối ra A3, A4 thành chuỗi xung 1kHz tác động qua Q3 để kích dẫn TR1 qua biến thế cách ly. Máy phát xung răng cưa đối xứng với tần số thấp (~ 10sec), tác động vào lối vào âm A4, biến đổi thế điều khiển từ lối ra A3 thành các xung.3 Điều khiển số với bộ vi xử lý 12 Hệ điều khiển số sử dụng bộ vi xử lý có cấu trúc hoàn toàn khác với hệ thống điều khiển tương tự được mô tả ở trên.