Tính toán cân bằng nhiệt và xác định công suất điện của lò

.

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển kinh tế – xã hội của đất nước, nhu cầu về sử dụng

điện năng của người dân cũng ngày một tăng cao. Việc cải tạo, nâng cấp và

xây dựng thêm các nhà máy điện cũng nh các mạng truyền tải điện là một yêu

cầu cấp thiết của ngành điện lực. Nhu cầu về dây cáp điện của các công ty

điện lực và các công ty xây lắp điện do đó cũng tăng mạnh. Việc đầu tư trang

thiết bị máy móc và dây chuyền sản xuất hiện đại để nâng cao năng suất và

chất lượng sản phẩm nhằm cạnh tranh với các sản phẩm cáp ngoại nhập là

nhiệm vụ cơ bản, hàng đầu được đặt ra với các công ty sản xuất cáp điện lực

Việt Nam. Công ty liên doanh cáp điện lực Daesung – Việt Nam cũng không

nằm ngoài xu hướng đó. Để nâng cấp và hoàn thiện dây chuyền sản xuất dây

cáp nhôm của mình nhằm tạo ra những sản phẩm mới có sức cạnh tranh cao,

công ty đã đầu tư và xây dựng thêm nhiều trang thiết bị máy móc mới. Một

trong số đó là các lò điện trở có không khí tuần hoàn cưỡng bức để ủ các rulô

cáp nhôm.

Là sinh viên ngành Nhiệt – Lạnh, được giao nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp

là thiết kế các lò điện trở này, em đã tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu đặc điểm

kỹ thuật của các loại lò điện trở cũng như đặc tính của nhôm và công nghệ

sản xuất dây cáp nhôm ở nước ta để tìm ra phương án thiết kế cho phù hợp.

Sau hơn 3 tháng thực hiện, được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của

PGS. TS. Phạm Văn Trí cùng với sự nỗ lực cố gắng của bản thân, bản đồ án

tốt nghiệp đã hoàn thành. Nội dung chính của bản đồ án tốt nghiệp bao gồm:

Chương 1. Nhôm và công nghệ sản xuất dây cáp nhôm.

Chương 2. Tổng quan về lò điện và các loại lò điện trở.

Chương 3. Chọn cấu trúc lò và tính toán các kích thước cơ bản của lò.

Chương 4.Tính thời gian nung kim loại.

.

- 1 -

.

Chương 5. Tính toán cân bằng nhiệt và xác định công suất điện của lò.

Chương 6. Tính toán dây điện trở làm việc ở chế độ trao đổi nhiệt đối

lưu

Chương 7. Đo và khống chế chế độ nhiệt độ của lò.

Trong quá trình thực hiện đồ án, mặc dù đã rất cố gắng tìm hiểu và cân

nhắc kỹ lưỡng trước khi quyết định thiết kế cấu trúc lò và đưa ra các thông số

kỹ thuật của lò nhưng do lần đầu tiên được giao nhiệm vụ thiết kế, kiến thức

và kinh nghiệm thực tế còn hạn hẹp nên không tránh khỏi sai sót, em rất

mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của thầy cô và các bạn.

Em xin gửi tới PGS. TS. Phạm Văn Trí, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ

bảo giúp em hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này, lòng biết ơn sâu sắc.

Em xin gửi tới Ban giám đốc công ty cơ điện Trần Phú, Ban giám đốc

công ty liên doanh cáp điện lực Daesung – Việt Nam, KS. Vũ Tuấn Anh,

các thầy cô giáo trong Viện khoa học và công nghệ Nhiệt – Lạnh, gia đình và

bạn bè, những người đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ, động viên em trong thời

gian em thực hiện bản đồ án tốt nghiệp này, lời cảm ơn chân thành.

.

- 2 -

.

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. Tính chất của nhôm

Nhôm là nguyên tố hoá học thuộc nhóm III trong bảng hệ thống tuần

hoàn. Nhôm thuộc chu kì 3, có số hiệu nguyên tử Z = 13, kí hiệu hoá học Al.

Nguyên tử Al có 13 electron với cấu hình điện tử e như sau:

1s2

2s2

2p6

3s2

3p1

.

Với cấu hình này, Al có 3 electron ở lớp ngoài cùng (3 electron hoá trị)

do vậy nhôm thường có hoá trị III (Al3+).Tuy nhiên, nhôm cũng có hoá trị I

(Al1+) và gần đây, người ta đã điều chế được nhôm hoá trị II (Al2+).

Nhôm có bán kính nguyên tử 1,4 A0

, bán kính ion 0,86 A0 và nguyên tử

lượng là 26,98 đ.v.C.

Do có 3 electron hoá trị nên trong các phản ứng hoá học nhôm thể hiện

tính nhường e (tính kim loại). Với độ âm điện lớn, nguyên tử nhôm có hoạt

tính rất mạnh. Nhôm có thể phản ứng với ôxi trong không khí và tạo thành

một lớp màng ôxit (Al2O3) mỏng, lớp màng này rất bền vững nên lớp nhôm ở

bên trong không tiếp tục bị ôxi hoá. Vì vậy, nhôm có khả năng chống ăn mòn

rất tốt.

Còng do có hoạt tính rất lớn nên trong tự nhiên, nhôm thường tồn tại

dưới dạng các hợp chất vô cơ như : muối phèn (K2SO4.Al2(SO4)3. 21H2O),

quặng bôxit (Al2O3. nH2O), . . .

Xét về mặt vật lí, nhôm là kim loại nhẹ (khối lượng riêng 2,7 g/cm3

),

màu trắng bạc, nóng chảy ở nhiệt độ khoảng (660 ữ 670) 0C . Nhôm rất dẻo,

dễ dát mỏng và kéo sợi. Do có cấu tạo tinh thể dạng lập phương tâm diện, mật

độ electron tù do lớn nên nhôm có độ dẫn nhiệt tốt. Độ dẫn điện của nhôm

.

- 3 -

.

cũng rất tốt. Độ dẫn điện của nhôm bằng 2/3 độ dẫn điện của đồng. Hệ số dẫn

nhiệt của nhôm lớn gấp 3 lần hệ số dẫn nhiệt của sắt.

Các tính chất của nhôm như : tỉ trọng, nhiệt độ chảy, nhiệt độ sôi, nhiệt

dung riêng, độ dẫn điện . . . phụ thuộc rất nhiều vào độ sạch và nhiệt độ của

nhôm.

- Nhiệt độ chảy: Nhiệt độ chảy của nhôm sẽ tăng khi độ sạch của nhôm

tăng ( xem bảng 1. 1 ) .

Bảng 1. 1: Quan hệ giữa hàm lượng và nhiệt độ chảy của nhôm.

Hàm lượng [% Al] 99,2 99,5 99,6 99,9 99,996

Nhiệt độ chảy [0C] 657 658 658,7 659,8 660,24

- Tỉ trọng của nhôm phụ thuộc vào độ sạch và nhiệt độ của nhôm

(xem bảng 1. 2).

Bảng 1.2: Quan hệ giữa tỉ trọng của nhôm với nhiệt độ và độ sạch.

Độ sạch

Tỉ trọng của nhôm

Nhôm rắn ở 200C Nhôm lỏng ở 10000C

99,250 2,7270 2,3110

99,400 2,7060 2,2910

99,750 2,7030 2,2890

99,751 2,6960 2,2890

99,996 2,6989 2,2890

- Nhiệt độ sôi: Ở áp suất thường, nhiệt độ sôi của nhôm gần bằng

25000C, nhưng ở trong chân không thì nhiệt độ sôi giảm xuống (xem bảng1.3)

Bảng 1. 3: Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ sôi của nhôm.

.

- 4 -

.

Áp suất

[mm Hg]

0,002

5

0,01 0,10 1,00 10,0 100 760 1000 2086

Nhiệt độ

sôi [K] 1400 1480 1634 1880 2002 2382 2760 2830 3000

- Nhiệt dung riêng : Nhiệt dung riêng của nhôm thay đổi khi nhiệt độ

thay đổi (xem bảng 1.4):

Bảng 1. 4: Nhiệt dung riêng của nhôm trong khoảng 0 ữ 1000 0C.

Nhiệt độ [0C]

(trạng thái rắn)

Nhiệt dung

riêng [kJ/kg.K]

Nhiệt độ [0C]

(trạng thái lỏng)

Nhiệt dung

riêng [kJ/kg.K]

100 0,9456 657 1,634

200 0,9615 700 1,598

300 0,9987 750 1,565

400 1,3704 800 1,531

500 1,0100 900 1,482

600 1,0264 1000 1,444

657 1,0350

- Độ dẫn điện: Độ dẫn điện của nhôm tăng theo độ sạch (xem bảng 1. 5):

Bảng 1. 5: Quan hệ giữa độ dẫn điện với độ sạch của nhôm.

Độ sạch

[% Al]

Nhiệt độ

[

0C]

Điện trở suất x 10-3

[Ώ.mm2

/m]

So với độ dẫn điện

của đồng [%]

99,500 0 25,300 62,50

99,959 0 24,500 64,50

99,971 20 26,690 64,90

99,996 20 26,548 65,49

1.1.2. Vai trò của nhôm trong đời sống – kĩ thuật

.

- 5 -

.

Nhôm là kim loại được sử dụng rộng rãi (sau sắt) trong nhiều ngành

kinh tế - kĩ thuật và đời sống hàng ngày. Những ứng dụng này của nhôm liên

quan chặt chẽ đến tính chất vật lí và hoá học của nhôm.

Nhôm và hợp kim nhôm có đặc tính: nhẹ, bền đối với không khí và

nước. Nhôm được dùng làm vật liệu chế tạo máy bay, ô tô , tên lửa, tầu vũ

trụ…

Nhôm và hợp kim nhôm có màu trắng bạc được dùng trong xây dựng

nhà cửa và trang trí nội thất.

Nhôm có tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt nên được dùng để chế tạo dây

cáp dẫn điện cao thế thay cho đồng .

Nhôm được dùng để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt, dụng cụ đun nấu.

Giấy nhôm không gây độc hại nên được dùng để bao gói thực phẩm,

bánh kẹo.

Bột nhôm dùng chế tạo hỗn hợp tecmic (hỗn hợp bột nhôm và ôxit sắt

từ) để hàn kim loại, điều chế một số kim loại trong phòng thí nghiệm.

Nhôm siêu sạch dùng để chế tạo bán dẫn Al - Sb. Loại bán dẫn này chịu

được nhiệt độ cao nên được dùng nhiều trong kĩ thuật điện tử.

1.2. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT TIÊU THỤ VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁP NHÔM

Ở NƯỚC TA HIỆN NAY

1.2.1. Tình hình sản xuất – tiêu thụ cáp nhôm ở nước ta hiện nay

Hiện nay, ở nước ta, dây cáp nhôm được sản xuất bởi rất nhiều công ty

như : Công ty cơ điện Trần Phú (Hà Nội), Liên doanh LG – Vina (Hải

Phòng), Liên doanh CFT – Cadivi (Hồ Chí Minh), Liên doanh Daesung –

Việt Nam (Cơ khí Yên Viên), . . . với nhiều chủng loại và mẫu mã khác nhau.

.

- 6 -

.

Sản phẩm chủ yếu của các công ty này là: Cáp nhôm có lõi thép, cáp

nhôm không có lõi thép, cáp nhôm có lõi thép bọc vỏ và cáp nhôm không có

lõi thép bọc vỏ, các loại dây điện trần, dây điện bọc vỏ, . . .

Các sản phẩm này có chất lượng tốt, mẫu mã đa dạng và phong phú nên

không chỉ được thị trường trong nước chấp nhận mà còn rất được ưa chuộng ở

nước ngoài. Sản phẩm của các công ty này đã được xuất khẩu sang : Đài

Loan, Nhật Bản, Hàn Quốc,… với số lượng ngày càng tăng. Ở trong nước,

với chiến lược phát triển mạng lưới điện quốc gia đến năm 2010 của ngành

điện lực, nhu cầu tiêu thụ cáp điện của các công ty xây lắp điện cũng tăng

mạnh. Chỉ tính riêng ở công ty cơ điện Trần Phú, lượng cáp điện được đặt

hàng trong năm 2004 là:

Cáp nhôm không lõi thép: 1200 tấn.

Cáp nhôm có lõi thép: 600 tấn.

Cáp nhôm bọc PVC: 8000 tấn.

Nhu cầu về cáp điện của thị trường đối với các công ty khác cũng khá

lớn. Đây là điều kiện rất thuận cho việc đầu tư sản xuất - kinh doanh của các

công ty sản xuất dây cáp điện ở nước ta trong thời gian tới.

1.2.2. Công nghệ sản xuất dây cáp nhôm

Để tạo ra những sản phẩm có chất lượng và hình thức đặc trưng, mỗi

công ty đều có dây chuyền công nghệ, thiết bị sản xuất và công nghệ chế tạo

riêng biệt khác nhau. Nhưng nhìn chung tất cả các sản phẩm do các công ty ở

nước ta sản xuất đều trải qua các giai đoạn công nghệ sau:

- Nhập nhôm thỏi từ nước ngoài về.

- Nấu chảy nhôm thỏi trong lò.

- Đúc cán nhôm φ8 liên tục.

- Kéo nhôm φ8 thành φ2 ( Henrich ).

- Bện khung cứng.

Dây chuyền công nghệ sản xuất cáp nhôm được trình bày trên hình 1.1:

.

- 7 -

.

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ LÒ ĐIỆN VÀ LÒ ĐIỆN TRỞ.

2.1. LÒ ĐIỆN VÀ LĨNH VỰC SỬ DỤNG CỦA LÒ ĐIỆN

2.1.1. Lò điện và đặc điểm của lò điện

Lò điện là thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá

trình công nghệ khác nhau như nung nóng hoặc nấu luyện các vật liệu, các

kim loại và các hợp kim khác nhau...

Lò điện có ưu điểm:

- Có khả năng tạo được nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung

trong thể tích nhỏ.

- Tạo ra được tốc độ nung lớn do nhiệt năng tập trung, nhiệt độ cao.

- Đảm bảo nung đều, nung chính xác, dễ điều chỉnh chế độ điện và

chế độ nhiệt của lò.

- Lò đảm bảo được độ kín, có khả năng nung trong chân không hoặc

trong môi trường có khí bảo vệ nên kim loại Ýt bị tổn hao.

- Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ liệu và vận

chuyển vật phẩm .

- Đảm bảo được điều kiện lao động hợp vệ sinh: không có bụi, khói,

Ýt tiếng ồn. Điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ.

Lò điện có nhược điểm:

- Năng lượng điện đắt so với các năng lượng khác: than, dầu, khí...

- Yêu cầu người vận hành lò điện phải có trình độ cao, nghiệp vụ tốt.

2.1.2. Lĩnh vực sử dụng của lò điện

.

- 8 -

.

Với những ưu, nhược điểm của lò điện đã trình bày ở trên, lò điện được

sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật:

- Trong luyện kim và chế tạo máy, lò điện có một vị trí quan trọng và

thường được dùng để:

+ Sản xuất thép chất lượng cao.

+ Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện.

+ Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo dây kéo sợi.

- Trong công nghiệp hoá học lò điện được sử dụng để:

+ Sản xuất CaC2, SiC, B4C.

+ Sản xuất CS2, C2H2...

+ Sản xuất các kim loại kiềm thổ.

- Trong các lĩnh vực công nghiệp khác:

+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được sử dụng để:

sấy, mạ vật phẩm và chế biến thực phẩm.

+ Trong các lĩnh vực khác, lò điện được sử dụng để sản xuất:

gốm, sứ, thuỷ tinh, các loại vật liệu chịu lửa...

Ngoài ra, lò điện còn được sử dụng rộng rãi trong đời sống sinh hoạt:

bếp điện, nồi cơm điện, bình nước nóng, thiết bị nung, rán, sấy điện...

2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN NĂNG THÀNH NHIỆT NĂNG

Điện năng được biến đổi thành nhiệt năng theo các phương pháp sau :

- Phương pháp điện trở.

- Phương pháp cảm ứng.

- Phương pháp hồ quang điện.

- Phương pháp điện môi.

- Phương pháp Plasma.

2.2.1. Phương pháp điện trở ( hình 2.1 )

.

- 9 -