Tính toán dây điện trở làm việc ở chế độ trao đổi nhiệt đối lưu

.

Lêi nãi ®Çu

Cïng víi sù ph¸t triÓn kinh tÕ – x· héi cña ®Êt níc, nhu cÇu vÒ sö dông

®iÖn n¨ng cña ngêi d©n còng ngµy mét t¨ng cao. ViÖc c¶i t¹o, n©ng cÊp vµ x©y

dùng thªm c¸c nhµ m¸y ®iÖn còng nh c¸c m¹ng truyÒn t¶i ®iÖn lµ mét yªu cÇu

cÊp thiÕt cña ngµnh ®iÖn lùc. Nhu cÇu vÒ d©y c¸p ®iÖn cña c¸c c«ng ty ®iÖn lùc

vµ c¸c c«ng ty x©y l¾p ®iÖn do ®ã còng t¨ng m¹nh. ViÖc ®Çu t trang thiÕt bÞ m¸y

mãc vµ d©y chuyÒn s¶n xuÊt hiÖn ®¹i ®Ó n©ng cao n¨ng suÊt vµ chÊt lîng s¶n

phÈm nh»m c¹nh tranh víi c¸c s¶n phÈm c¸p ngo¹i nhËp lµ nhiÖm vô c¬ b¶n,

hµng ®Çu ®îc ®Æt ra víi c¸c c«ng ty s¶n xuÊt c¸p ®iÖn lùc ViÖt Nam. C«ng ty

liªn doanh c¸p ®iÖn lùc Daesung – ViÖt Nam còng kh«ng n»m ngoµi xu híng

®ã. §Ó n©ng cÊp vµ hoµn thiÖn d©y chuyÒn s¶n xuÊt d©y c¸p nh«m cña m×nh

nh»m t¹o ra nh÷ng s¶n phÈm míi cã søc c¹nh tranh cao, c«ng ty ®· ®Çu t vµ x©y

dùng thªm nhiÒu trang thiÕt bÞ m¸y mãc míi. Mét trong sè ®ã lµ c¸c lß ®iÖn trë

cã kh«ng khÝ tuÇn hoµn cìng bøc ®Ó ñ c¸c rul« c¸p nh«m.

Lµ sinh viªn ngµnh NhiÖt – L¹nh, ®îc giao nhiÖm vô thiÕt kÕ tèt nghiÖp

lµ thiÕt kÕ c¸c lß ®iÖn trë nµy, em ®· tiÕn hµnh nghiªn cøu, t×m hiÓu ®Æc ®iÓm

kü thuËt cña c¸c lo¹i lß ®iÖn trë còng nh ®Æc tÝnh cña nh«m vµ c«ng nghÖ s¶n

xuÊt d©y c¸p nh«m ë níc ta ®Ó t×m ra ph¬ng ¸n thiÕt kÕ cho phï hîp.

Sau h¬n 3 th¸ng thùc hiÖn, ®îc sù híng dÉn, chØ b¶o tËn t×nh cña PGS.

TS. Ph¹m V¨n TrÝ cïng víi sù nç lùc cè g¾ng cña b¶n th©n, b¶n ®å ¸n tèt

nghiÖp ®· hoµn thµnh. Néi dung chÝnh cña b¶n ®å ¸n tèt nghiÖp bao gåm:

Ch¬ng 1. Nh«m vµ c«ng nghÖ s¶n xuÊt d©y c¸p nh«m.

Ch¬ng 2. Tæng quan vÒ lß ®iÖn vµ c¸c lo¹i lß ®iÖn trë.

Ch¬ng 3. Chän cÊu tróc lß vµ tÝnh to¸n c¸c kÝch thíc c¬ b¶n cña lß.

Ch¬ng 4.TÝnh thêi gian nung kim lo¹i.

Ch¬ng 5. TÝnh to¸n c©n b»ng nhiÖt vµ x¸c ®Þnh c«ng suÊt ®iÖn cña lß.

.

- 1 -

.

Ch¬ng 6. TÝnh to¸n d©y ®iÖn trë lµm viÖc ë chÕ ®é trao ®æi nhiÖt ®èi lu

Ch¬ng 7. §o vµ khèng chÕ chÕ ®é nhiÖt ®é cña lß.

Trong qu¸ tr×nh thùc hiÖn ®å ¸n, mÆc dï ®· rÊt cè g¾ng t×m hiÓu vµ c©n

nh¾c kü lìng tríc khi quyÕt ®Þnh thiÕt kÕ cÊu tróc lß vµ ®a ra c¸c th«ng sè kü

thuËt cña lß nhng do lÇn ®Çu tiªn ®îc giao nhiÖm vô thiÕt kÕ, kiÕn thøc vµ kinh

nghiÖm thùc tÕ cßn h¹n hÑp nªn kh«ng tr¸nh khái sai sãt, em rÊt mong nhËn ®îc

sù gãp ý, chØ b¶o cña thÇy c« vµ c¸c b¹n.

Em xin göi tíi PGS. TS. Ph¹m V¨n TrÝ, ngêi ®· tËn t×nh híng dÉn, chØ b¶o

gióp em hoµn thµnh b¶n ®å ¸n tèt nghiÖp nµy, lßng biÕt ¬n s©u s¾c.

Em xin göi tíi Ban gi¸m ®èc c«ng ty c¬ ®iÖn TrÇn Phó, Ban gi¸m ®èc

c«ng ty liªn doanh c¸p ®iÖn lùc Daesung – ViÖt Nam, KS. Vò TuÊn Anh,

c¸c thÇy c« gi¸o trong ViÖn khoa häc vµ c«ng nghÖ NhiÖt – L¹nh, gia ®×nh vµ

b¹n bÌ, nh÷ng ngêi ®· t¹o mäi ®iÒu kiÖn gióp ®ì, ®éng viªn em trong thêi gian

em thùc hiÖn b¶n ®å ¸n tèt nghiÖp nµy, lêi c¶m ¬n ch©n thµnh.

.

- 2 -

.

Ch¬ng 1

nh«m vµ c«ng nghÖ s¶n xuÊt d©y c¸p nh«m

1.1. tÝnh chÊt vµ vai trß cña nh«m trong ®êi sèng kÜ thuËt –

1.1.1. TÝnh chÊt cña nh«m

Nh«m lµ nguyªn tè ho¸ häc thuéc nhãm III trong b¶ng hÖ thèng tuÇn

hoµn. Nh«m thuéc chu k× 3, cã sè hiÖu nguyªn tö Z = 13, kÝ hiÖu ho¸ häc Al.

Nguyªn tö Al cã 13 electron víi cÊu h×nh ®iÖn tö e nh sau:

1s22s22p63s23p1

.

Víi cÊu h×nh nµy, Al cã 3 electron ë líp ngoµi cïng (3 electron ho¸ trÞ) do

vËy nh«m thêng cã ho¸ trÞ III (Al3+).Tuy nhiªn, nh«m còng cã ho¸ trÞ I (Al1+)

vµ gÇn ®©y, ngêi ta ®· ®iÒu chÕ ®îc nh«m ho¸ trÞ II (Al2+).

Nh«m cã b¸n kÝnh nguyªn tö 1,4 A0

, b¸n kÝnh ion 0,86 A0 vµ nguyªn tö l￾îng lµ 26,98 ®.v.C.

Do cã 3 electron ho¸ trÞ nªn trong c¸c ph¶n øng ho¸ häc nh«m thÓ hiÖn

tÝnh nhêng e (tÝnh kim lo¹i). Víi ®é ©m ®iÖn lín, nguyªn tö nh«m cã ho¹t tÝnh

rÊt m¹nh. Nh«m cã thÓ ph¶n øng víi «xi trong kh«ng khÝ vµ t¹o thµnh mét líp

mµng «xit (Al2O3) máng, líp mµng nµy rÊt bÒn v÷ng nªn líp nh«m ë bªn trong

kh«ng tiÕp tôc bÞ «xi ho¸. V× vËy, nh«m cã kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn rÊt tèt.

Còng do cã ho¹t tÝnh rÊt lín nªn trong tù nhiªn, nh«m thêng tån t¹i díi

d¹ng c¸c hîp chÊt v« c¬ nh : muèi phÌn (K2SO4.Al2(SO4)3. 21H2O), quÆng b«xit

(Al2O3. nH2O), . . .

XÐt vÒ mÆt vËt lÝ, nh«m lµ kim lo¹i nhÑ (khèi lîng riªng 2,7 g/cm3

), mµu

tr¾ng b¹c, nãng ch¶y ë nhiÖt ®é kho¶ng (660 ÷ 670) 0C . Nh«m rÊt dÎo, dÔ d¸t

máng vµ kÐo sîi. Do cã cÊu t¹o tinh thÓ d¹ng lËp ph¬ng t©m diÖn, mËt ®é

electron tù do lín nªn nh«m cã ®é dÉn nhiÖt tèt. §é dÉn ®iÖn cña nh«m còng rÊt

tèt. §é dÉn ®iÖn cña nh«m b»ng 2/3 ®é dÉn ®iÖn cña ®ång. HÖ sè dÉn nhiÖt cña

nh«m lín gÊp 3 lÇn hÖ sè dÉn nhiÖt cña s¾t.

.

- 3 -

.

C¸c tÝnh chÊt cña nh«m nh : tØ träng, nhiÖt ®é ch¶y, nhiÖt ®é s«i, nhiÖt

dung riªng, ®é dÉn ®iÖn . . . phô thuéc rÊt nhiÒu vµo ®é s¹ch vµ nhiÖt ®é cña

nh«m.

- NhiÖt ®é ch¶y: NhiÖt ®é ch¶y cña nh«m sÏ t¨ng khi ®é s¹ch cña nh«m

t¨ng ( xem b¶ng 1. 1 ) .

B¶ng 1. 1: Quan hÖ gi÷a hµm lîng vµ nhiÖt ®é ch¶y cña nh«m.

Hµm lîng [% Al] 99,2 99,5 99,6 99,9 99,996

NhiÖt ®é ch¶y [0C] 657 658 658,7 659,8 660,24

- TØ träng cña nh«m phô thuéc vµo ®é s¹ch vµ nhiÖt ®é cña nh«m (xem

b¶ng 1. 2).

B¶ng 1.2: Quan hÖ gi÷a tØ träng cña nh«m víi nhiÖt ®é vµ ®é s¹ch.

§é s¹ch

TØ träng cña nh«m

Nh«m r¾n ë 200C Nh«m láng ë 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

- NhiÖt ®é s«i: ë ¸p suÊt thêng, nhiÖt ®é s«i cña nh«m gÇn b»ng

25000C, nhng ë trong ch©n kh«ng th× nhiÖt ®é s«i gi¶m xuèng (xem b¶ng1.3)

B¶ng 1. 3: Quan hÖ gi÷a ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é s«i cña nh«m.

¸p suÊt 0,002 0,01 0,10 1,00 10,0 100 760 1000 2086

.

- 4 -

.

[mm Hg] 5

NhiÖt ®é

s«i [K] 1400 1480 1634 1880 2002 2382 2760 2830 3000

- NhiÖt dung riªng : NhiÖt dung riªng cña nh«m thay ®æi khi nhiÖt ®é

thay ®æi (xem b¶ng 1.4):

B¶ng 1. 4: NhiÖt dung riªng cña nh«m trong kho¶ng 0 ÷ 1000 0C.

NhiÖt ®é [0C]

(tr¹ng th¸i r¾n)

NhiÖt dung

riªng [kJ/kg.K]

NhiÖt ®é [0C]

(tr¹ng th¸i láng)

NhiÖt dung

riªng [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

- §é dÉn ®iÖn: §é dÉn ®iÖn cña nh«m t¨ng theo ®é s¹ch (xem b¶ng 1. 5):

B¶ng 1. 5: Quan hÖ gi÷a ®é dÉn ®iÖn víi ®é s¹ch cña nh«m.

§é s¹ch

[% Al]

NhiÖt ®é

[

0C]

§iÖn trë suÊt x 10-3

[Ώ.mm2

/m]

So víi ®é dÉn ®iÖn

cña ®ång [%]

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 trß cña nh«m trong ®êi sèng kÜ thuËt –

.

- 5 -

.

Nh«m lµ kim lo¹i ®îc sö dông réng r·i (sau s¾t) trong nhiÒu ngµnh kinh tÕ

- kÜ thuËt vµ ®êi sèng hµng ngµy. Nh÷ng øng dông nµy cña nh«m liªn quan chÆt

chÏ ®Õn tÝnh chÊt vËt lÝ vµ ho¸ häc cña nh«m.

Nh«m vµ hîp kim nh«m cã ®Æc tÝnh: nhÑ, bÒn ®èi víi kh«ng khÝ vµ níc.

Nh«m ®îc dïng lµm vËt liÖu chÕ t¹o m¸y bay, « t« , tªn löa, tÇu vò trô…

Nh«m vµ hîp kim nh«m cã mµu tr¾ng b¹c ®îc dïng trong x©y dùng nhµ

cöa vµ trang trÝ néi thÊt.

Nh«m cã tÝnh dÉn nhiÖt vµ dÉn ®iÖn tèt nªn ®îc dïng ®Ó chÕ t¹o d©y c¸p

dÉn ®iÖn cao thÕ thay cho ®ång .

Nh«m ®îc dïng ®Ó chÕ t¹o thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt, dông cô ®un nÊu.

GiÊy nh«m kh«ng g©y ®éc h¹i nªn ®îc dïng ®Ó bao gãi thùc phÈm, b¸nh

kÑo.

Bét nh«m dïng chÕ t¹o hçn hîp tecmic (hçn hîp bét nh«m vµ «xit s¾t tõ)

®Ó hµn kim lo¹i, ®iÒu chÕ mét sè kim lo¹i trong phßng thÝ nghiÖm.

Nh«m siªu s¹ch dïng ®Ó chÕ t¹o b¸n dÉn Al - Sb. Lo¹i b¸n dÉn nµy chÞu ®-

îc nhiÖt ®é cao nªn ®îc dïng nhiÒu trong kÜ thuËt ®iÖn tö.

1.2. t×nh h×nh s¶n xuÊt tiªu thô vµ c«ng nghÖ chÕ t¹o c¸p nh«m

ë níc ta hiÖn nay

1.2.1. T×nh h×nh s¶n xuÊt tiªu thô c¸p nh«m ë n – íc ta hiÖn nay

HiÖn nay, ë níc ta, d©y c¸p nh«m ®îc s¶n xuÊt bëi rÊt nhiÒu c«ng ty nh :

C«ng ty c¬ ®iÖn TrÇn Phó (Hµ Néi), Liªn doanh LG – Vina (H¶i Phßng), Liªn

doanh CFT – Cadivi (Hå ChÝ Minh), Liªn doanh Daesung – ViÖt Nam (C¬

khÝ Yªn Viªn), . . . víi nhiÒu chñng lo¹i vµ mÉu m· kh¸c nhau.

S¶n phÈm chñ yÕu cña c¸c c«ng ty nµy lµ: C¸p nh«m cã lâi thÐp, c¸p nh«m

kh«ng cã lâi thÐp, c¸p nh«m cã lâi thÐp bäc vá vµ c¸p nh«m kh«ng cã lâi thÐp

bäc vá, c¸c lo¹i d©y ®iÖn trÇn, d©y ®iÖn bäc vá, . . .

.

- 6 -

.

C¸c s¶n phÈm nµy cã chÊt lîng tèt, mÉu m· ®a d¹ng vµ phong phó nªn

kh«ng chØ ®îc thÞ trêng trong níc chÊp nhËn mµ cßn rÊt ®îc a chuéng ë níc

ngoµi. S¶n phÈm cña c¸c c«ng ty nµy ®· ®îc xuÊt khÈu sang : §µi Loan, NhËt

B¶n, Hµn Quèc, víi sè l … îng ngµy cµng t¨ng. ë trong níc, víi chiÕn lîc ph¸t

triÓn m¹ng líi ®iÖn quèc gia ®Õn n¨m 2010 cña ngµnh ®iÖn lùc, nhu cÇu tiªu thô

c¸p ®iÖn cña c¸c c«ng ty x©y l¾p ®iÖn còng t¨ng m¹nh. ChØ tÝnh riªng ë c«ng ty

c¬ ®iÖn TrÇn Phó, lîng c¸p ®iÖn ®îc ®Æt hµng trong n¨m 2004 lµ:

C¸p nh«m kh«ng lâi thÐp: 1200 tÊn.

C¸p nh«m cã lâi thÐp: 600 tÊn.

C¸p nh«m bäc PVC: 8000 tÊn.

Nhu cÇu vÒ c¸p ®iÖn cña thÞ trêng ®èi víi c¸c c«ng ty kh¸c còng kh¸ lín.

§©y lµ ®iÒu kiÖn rÊt thuËn cho viÖc ®Çu t s¶n xuÊt - kinh doanh cña c¸c c«ng ty

s¶n xuÊt d©y c¸p ®iÖn ë níc ta trong thêi gian tíi.

1.2.2. C«ng nghÖ s¶n xuÊt d©y c¸p nh«m

§Ó t¹o ra nh÷ng s¶n phÈm cã chÊt lîng vµ h×nh thøc ®Æc trng, mçi c«ng ty

®Òu cã d©y chuyÒn c«ng nghÖ, thiÕt bÞ s¶n xuÊt vµ c«ng nghÖ chÕ t¹o riªng biÖt

kh¸c nhau. Nhng nh×n chung tÊt c¶ c¸c s¶n phÈm do c¸c c«ng ty ë níc ta s¶n

xuÊt ®Òu tr¶i qua c¸c giai ®o¹n c«ng nghÖ sau:

- NhËp nh«m thái tõ níc ngoµi vÒ.

- NÊu ch¶y nh«m thái trong lß.

- §óc c¸n nh«m φ8 liªn tôc.

- KÐo nh«m φ8 thµnh φ2 ( Henrich ).

- BÖn khung cøng.

D©y chuyÒn c«ng nghÖ s¶n xuÊt c¸p nh«m ®îc tr×nh bµy trªn h×nh 1.1:

.

- 7 -

.

Ch¬ng 2

tæng quan vÒ lß ®iÖn vµ lß ®iÖn trë.

2.1. lß ®iÖn vµ lÜnh vùc sö dông cña lß ®iÖn

2.1.1. Lß ®iÖn vµ ®Æc ®iÓm cña lß ®iÖn

Lß ®iÖn lµ thiÕt bÞ biÕn ®iÖn n¨ng thµnh nhiÖt n¨ng dïng trong c¸c qu¸

tr×nh c«ng nghÖ kh¸c nhau nh nung nãng hoÆc nÊu luyÖn c¸c vËt liÖu, c¸c kim

lo¹i vµ c¸c hîp kim kh¸c nhau...

Lß ®iÖn cã u ®iÓm:

- Cã kh¶ n¨ng t¹o ®îc nhiÖt ®é cao do nhiÖt n¨ng ®îc tËp trung trong

thÓ tÝch nhá.

- T¹o ra ®îc tèc ®é nung lín do nhiÖt n¨ng tËp trung, nhiÖt ®é cao.

- §¶m b¶o nung ®Òu, nung chÝnh x¸c, dÔ ®iÒu chØnh chÕ ®é ®iÖn vµ chÕ

®é nhiÖt cña lß.

- Lß ®¶m b¶o ®îc ®é kÝn, cã kh¶ n¨ng nung trong ch©n kh«ng hoÆc

trong m«i trêng cã khÝ b¶o vÖ nªn kim lo¹i Ýt bÞ tæn hao.

- Cã kh¶ n¨ng c¬ khÝ ho¸ vµ tù ®éng ho¸ qu¸ tr×nh chÊt dì liÖu vµ vËn

chuyÓn vËt phÈm .

- §¶m b¶o ®îc ®iÒu kiÖn lao ®éng hîp vÖ sinh: kh«ng cã bôi, khãi, Ýt

tiÕng ån. §iÒu kiÖn thao t¸c tèt, thiÕt bÞ gän nhÑ.

Lß ®iÖn cã nhîc ®iÓm:

- N¨ng lîng ®iÖn ®¾t so víi c¸c n¨ng lîng kh¸c: than, dÇu, khÝ...

- Yªu cÇu ngêi vËn hµnh lß ®iÖn ph¶i cã tr×nh ®é cao, nghiÖp vô tèt.

.

- 8 -

.

2.1.2. LÜnh vùc sö dông cña lß ®iÖn

Víi nh÷ng u, nhîc ®iÓm cña lß ®iÖn ®· tr×nh bµy ë trªn, lß ®iÖn ®îc sö

dông réng r·i trong c¸c lÜnh vùc kü thuËt:

- Trong luyÖn kim vµ chÕ t¹o m¸y, lß ®iÖn cã mét vÞ trÝ quan träng vµ

thêng ®îc dïng ®Ó:

+ S¶n xuÊt thÐp chÊt lîng cao.

+ NhiÖt luyÖn vµ ho¸ nhiÖt luyÖn.

+ Nung c¸c vËt phÈm tríc khi c¸n, rÌn dËp, kÐo d©y kÐo sîi.

- Trong c«ng nghiÖp ho¸ häc lß ®iÖn ®îc sö dông ®Ó:

+ S¶n xuÊt CaC2, SiC, B4C.

+ S¶n xuÊt CS2, C2H2...

+ S¶n xuÊt c¸c kim lo¹i kiÒm thæ.

- Trong c¸c lÜnh vùc c«ng nghiÖp kh¸c:

+ Trong c«ng nghiÖp nhÑ vµ thùc phÈm, lß ®iÖn ®îc sö dông ®Ó: sÊy,

m¹ vËt phÈm vµ chÕ biÕn thùc phÈm.

+ Trong c¸c lÜnh vùc kh¸c, lß ®iÖn ®îc sö dông ®Ó s¶n xuÊt: gèm,

sø, thuû tinh, c¸c lo¹i vËt liÖu chÞu löa...

Ngoµi ra, lß ®iÖn cßn ®îc sö dông réng r·i trong ®êi sèng sinh ho¹t: bÕp

®iÖn, nåi c¬m ®iÖn, b×nh níc nãng, thiÕt bÞ nung, r¸n, sÊy ®iÖn...

2.2. C¸c ph¬ng ph¸p biÕn ®æi ®iÖn n¨ng thµnh nhiÖt n¨nG

§iÖn n¨ng ®îc biÕn ®æi thµnh nhiÖt n¨ng theo c¸c ph¬ng ph¸p sau :

- Ph¬ng ph¸p ®iÖn trë.

- Ph¬ng ph¸p c¶m øng.

- Ph¬ng ph¸p hå quang ®iÖn.

- Ph¬ng ph¸p ®iÖn m«i.

- Ph¬ng ph¸p Plasma.

.

- 9 -