CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÙNG ĐIỆN TRỞ 1.1 Giới thiệu về lò điện trở 1.1 Khái niệm Trong đời sống cũng như sản xuất, yêu cầu về sử dụng nhiệt năng rất lớn. Trong các ngành công nghiệp khác nhau, nhiệt năng dùng để nung, sấy, nhiệt luyện, nấu chảy các chất. Nguồn nhiệt năng này được chuyển từ điện năng qua các lò điện là phổ biến vì nó rất thuận tiện, dễ tự động hoá điều chỉnh nhiệt độ trong lò. Trong sinh hoạt đời sống, nhiệt năng chủ yếu để đun, nấu, nướng, sưởi.
Nguồn nhiệt năng cũng được chuyển từ điện năng qua các thiết bị điện như bàn là điện, bếp điện, nồi cơm điện, bình nóng lạnh. Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây nên khói, bụi nên không ảnh hưởng tới môi trường sống, sử dụng thuận tiện, dễ dàng. Việc biến đổi điện năng thành nhiệt năng có nhiều cách: nhờ hiệu ứng Juole (lò điện trở, bếp điện), nhờ phóng điện hồ quang (lò hồ quang, hàn điện), nhờ tác dụng nhiệt của dòng điện xoáy Foucault thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ (bếp từ). Các lò điện trở dùng trong sinh hoạt trừ lò vi sóng và bếp từ, còn hầu hết dùng dây điện trở như bàn là, bếp điện, nồi cơm điện, siêu điện, bình nóng lạnh.
Những dây điện trở sử dụng thường là hợp kim Nikel-Crôm có điện trở suất r = 1,1 Wmm2/m, nhiệt độ làm việc đến 11000c. Các dây điện trở dùng để chế tạo các dụng cụ sinh hoạt thường được đặt trong ống kín, trong ống lèn chặt bằng chất chịu nhiệt, dẫn nhiệt và cách điện với vỏ ống. Việc đặt dây điện trở trong ống kín sẽ tránh hơi ẩm và ôxy lọt vào, giảm được sự ôxy hoá, tăng độ bền và tuổi thọ cho lò điện trở. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng, dùng trong công nghệ nung nóng, nấu chảy vật liệu.
Lò điện trở được dùng rất phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp.2 Nguyên lý làm việc Nguyên lý làm việc của lò 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 (1. Sơ đồ nguyên lý làm việc của lò điện trở thể hiện trên hình 1.1) Trong đó: Q – Nhiệt lượng (J) I – Cường độ dòng điện (A) R – Điện trở (Ω) t – Thời gian (s) a - đốt nóng trực tiếp b - đốt nóng gián tiếp Hình 1. 1 Nguyên lý làm việc của lò điện trở Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Vật liệu được nung nóng trực tiếp 2.
Đầu cấp điện 5. Vật liệu được nung nóng gián tiếp - Phân loại: 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). Sau đó, dây đốt sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu hoặc dẫn nhiệt. Phân loại theo nhiệt độ làm việc: + Lò nhiệt độ thấp có nhiệt độ làm việc của lò dưới 650oC. + Lò nhiệt trung bình có nhiệt độ làm việc của lò từ 650oC đến 1200oC.
+ Lò nhiệt độ cao có nhiệt độ làm việc của lò trên 1200oC. Phân loại theo nơi sử dụng: + Lò dùng trong công nghiệp. + Lò dùng trong phòng thí nghiệm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com + Lò dùng trong gia đình.
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 đó sau quá trình khởi động. Khi khống chế nhiệt độ bằng cách đóng cắt nguồn thì nhiệt độ sẽ dao động quanh giá trị nhiệt độ ổn định.
Phân loại theo kết cấu lò: lò buồng, lò giếng, lò chụp, lò bể, … Phân loại theo mục đích sử dụng: lò tôi, lò ram, lò ủ, lò nung, … - 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: + Chịu 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 già hóa (tức dây đốt ít bị biến đổi theo thời gian, do đó đảm bảo tuổi thọ của lò) - Vật liệu làm dây điện trở: Dây điện trở bằng hợp kim: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com + 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 1200oC. + 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 cao. 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.
Điện trở nung nóng bằng vật liệu phi kim loại: + Vật liệu Cacbuarun (SiC) chịu 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. - Các loại lò điện trở thông dụng: Theo chế độ nung, lò điện trở được phân thành hai nhóm chính: Lò nung theo chu kỳ, Lò nung nóng liên tục. Lò nung theo chu kỳ: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com a – lò buồng b - lò giếng c - lò đẩy Hình 1.
Các loại lò điện trở + Lò buồng thường dùng để nhiệt luyện kim loại (thường hoá, ủ, thấm than 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 1350°C, dùng dây điện trở bằng các thanh nung cacbuarun. + Lò giếng 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 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. Lò nung nóng liên tục: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com + 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 băng 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. Một số loại cảm biến nhiệt độ a. Nhiệt kế thuỷ ngân: chiều cao của cột thuỷ ngân tỷ lệ thuận với nhiệt độ của lò. Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ loại nhiệt kế thủy ngân Trong đó: 1.
Điện cực tĩnh, có thể dịch chuyển được nhờ nam châm vĩnh cửu 2. Thuỷ ngân đóng vai trò như một cực động 3. Vỏ thuỷ tinh 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 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. - Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, cùng một lúc thực hiện ba chức năng: cảm biến, khâu chấp hành và chỉ thị nhiệt độ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Nhược điểm: Chỉ dùng được đối với lò điện nhiệt độ thấp (t°< 650°C), độ nhạy không cao do quán tính nhiệt của thuỷ ngân lỏng 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 + 𝛼𝑡 0 ) (1.2) Trong đó: 𝑅𝑅𝑁 - Trị số điện trở của nhiệt điện trở 𝑅𝑅𝑁𝑂 - Trị số điện trở của nhiệt điện trở trong điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ môi trường) 𝛼 - Hệ số nhiệt điện trở 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 (t°<650°C), trị số điện trở của nó chỉ tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ trong một dải 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, dùng được trong tất cả các loại lò nhiệt độ làm việc tới 1350°C.