Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Lời nói đầu
Đất nớc ta đang trong quá trình tiến lên công nghiệp hoá hiện đại hoá.
Đời sống nhân dân ngày càng đợc nâng cao. Vì vậy năng lợng đóng một vai
trò hết sức quan trọng. Năng lợng đợc sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực: năng
lợng nhiệt dùng để nung nóng, sấy khô, nhiệt luyện
Sử dụng nguồn năng lợng này hợp lý và có hiệu quả là rất cần thiết.
Mang lại hiệu quả cao và lợi ích to lớn cho ngời sử dụng cũng nh cho cả đất
nớc nói chung.
Lò điện đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đáp ứng đợc nhiều
nhu cầu thực tiễn đặt ra.
Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lợng nhiệt
đóng một vai trò rất quan trọng. Năng lợng nhiệt có thể dùng để nung nóng,
sấy khô
Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lợng một cách hợp lý và có hiệu quả là rất
cần thiết. Lò điện trở đợc ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng
đợc nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra.
Trong lò điện trở yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh
và kiểm xoát đợc nhiệt độ của lò. Đó cũng là yêu cầu chính trong đồ án tốt
nghiệp mà em đợc giao.
Đồ án tốt nghiệp đợc thực hiện dới sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo :
GS.TS. Nguyễn Công Hiền.
Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển nhiệt độ lò điện trở
Đồ án đợc chiâ làm 3 phần nh sau:
1. Giới thiệu chung về lò điện trở.
2. Thiết kế và tính toán mạch lực.
3. Thiết kế và tính toán mạch điều khiển.



nay càng đợc dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con ngời một cách phong phú và đa dạng nh: Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun
nớc điện, thiết bị nung rắn, sấy

1.2. Cấu tạo chung lò điện:
Lò điện thông thờng gồm ba phần chính: vỏ lò, lớp lót, dây nung.
1.2.1. vỏ lò:
Vỏ lò điện là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình
làm
việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo
sự kín hoàn toàn hoặc tơng đối của lò.
Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ cần thiết vỏ lò kín hoàn toàn,
còn đối với các lò điện trở bình thờng thì sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn
thất nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò đặc biệt theo chiều cao
lò.
Trong những trờng hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc
kín.
Khung vỏ lò cần cứng vững để chịu đợc tải trọng của lớp lót, phụ tải lò
(vật nung) và các cơ cầu cơ khí gắn trên vỏ lò
Vỏ lò tròn dùng ở các lò gíêng và một vài lò chụp
Vỏ lò chữ nhật thờng dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung
Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tố hơn vỏ lò chữ nhật khi cùn
một lợng kim loại đợc chế tạo vỏ lò.
Khi kết cấu vỏ lò tròn, ngời ta thờng dùng các tấm thép dầy:
+ Khoảng 3 đến 6 mm khi đờng kính vỏ lò từ 1000 đến 2000 mm
+ Khoảng 8 đến 12 mm khi đờng kính vỏ lò từ 2500 đến 4000 mm
+ Khoảng 14 đến 20 mm khi đờng kính vỏ lò từ 4500 đến 6500 mm.


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

+ Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu
+ Khả năng cách nhiệt max


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

+ ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định.
Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt hoặc có thể điền đầy bằng
bột cách nhiệt.
1.2.3. Dây nung:
* Yêu cầu cơ bản của vật liệu làm dây nung.
Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện
khắc nghiệt do đó đòi hỏi phải đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Chịu nóng tốt, không bị ô xy hoá ở môi trờng không khí có nhiệt độ
cao
+ Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ làm việc: So với các vật liệu xây dựng thì dây điện trở không
yêu cầu độ bền cao, nhng dây

điện trở không đợc biến dạng, chúng có thể tự bền vững dới tác dụng của
bản thân dây điện trở.
+ Điện trở xuất phải lớn: Điện trở xuất lớn có u việt là tạo cho dây
điện trở có cấu trúc gọn khi cùng đáp ứng một công suất yêu cầu, sẽ dễ dàng
bố trí trong lò.
+ Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ: Hầu hết các vật liệu chế tạo dây điện
trở đều có hệ số nhiệt điện trở nhỏ và dơng (nhiệt độ càng cao thì điện trở
càng lớn).
+ Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi:
+ Các kích thớc phải ổn định không thay đổi khi sử dụng:Một số vật
liệu, ngày càng chảy dài ra, đứng về mặt cấu tạo, lắp ráp không thuận lợi, khi

Một nhợc điểm nữa là hợp kim Fe Crôm - Al ở nhiệt độ cao dễ bị các ô xít
sắt, ô xít SiO2 tác dụng hoá học, phá hoại lớp màng bảo vệ của các ô xít
Al2O3 và Cr2O3. Vì vậy tờng lò là nơi tiếp xúc với hợp kim này phải là vật
liệu chứa nhiêù Alumin
( Al2O3 70% ; Fe2O3 1% ).
Độ giãn dài tới 30 đến 40% đã gây ra khó khăn khi lắp đặt trong lò, cần
tránh đoản mạch khi dây dẫn giãn dài và bị cong.



- 626

ở Liên Xô cũ ngời ta chế tạo hai hợp kim - 595 và

Nhiệt độ làm việc đật 13000C. Chúng là hợp kim Crôm có hàm lợng lớn, đợc
biến tính bằng một lợng nhỏ các kim loại kiềm thổ, nên tăng độ dẻo ở
10000C, chúng có độ bền cao. Các dây điện trở đợc tiêu chuẩn hoá khi sản
xuất. Dây điện trở bằng hợp kim



X13I04; OX23IOA; - 595
XO27IO5A ( - 626 ) Có đờng kính dây:




Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu


1,5.12
1,8.20
2,2.25
3.25

1.10
1,4.10
1,5.15
2.15
2,5.20
3.30

1,2.10
1,4.15
1,5.20
2.20
2,5.25
3.40 mm

1,2.12
1,4.20
1,8.15
2.25
2,5.30

1,2.15
1,5.10
1,8.18
2,2.20
2,5.40

ợng

00c,

điện

chảy

dây điện trở

riêng ở

trở

lỏng,

200C, g/cm3

o ,
mm2/m

.10 3

Nhiệt

0

Nhiệt độ

Nhiệt độ làm việc t0C

1050

1000

Nirôm X20H80T

8,20

1,270

0,022

1400

1200

1050

1000

- X15H60

8,30

1,100

0,100

1400


1450

900

750

650

Hợp kimOX17IO5

7,10

1,300

0,060

1450

1050

Hợp kimOX25IO5

7,00

1,400

0,050

1450


1150

1100

Vônffram, W

19,34

0,050

4,300

3410

3000*

Môlipđen,Mo

10,20

0,052

5,100

2625

2200*

Platin, Pt


1452

1000
1250

1200

Những vật liệu phi kim loại ( **)
Silic (Cacborun)

2,30

800ữ1900

Graphit

1,60

8ữ3

Thay
đổi theo

-

nhiệt độ
Cacbon (than)

1,6



* Trong chân không hoặc môi trờng khí bảo vệ
** Trọng lợng riêng thay bằng trọng lợng đống

1 = 0 (1 + t )


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Trong các lò điện trở, dây điện trở thờng có tiết diện tròn hoặc tiết
diện chữ nhật. Từ hai loại dây này ngời ta cấu chúc thành các kiểu khác nhau
_ Dây điện trở tròn có cấu trúc xoắn (xoắn trụ hoặc xoắn phẳng)
Dây nung kim loại thờng là dây nung dạng băng và dây nung dạng
tròn. Dây nung dạng băng thờng có hình zíczắc, bớc zíczắc h phụ thuộc
vào chiều rộng b của băng:
h
= 1,4 ữ 2,6
b

Dây nung dạng tròn thờng ở dạng xoắn, bớc h của dây nung xoắn thờng phụ thuộc vào đờng kính d của dây
h
= 3,2 ữ 4,8
d

Khi chọn dây điện trở và khi lắp đặt dây điện trở vào lò cần lu ý:
+ Khả năng ăn mòn hoá học giữa giây điện trở và lớp lót tiếp súc với
dây cao hơn 9000C không đợc đặt trực tiếp dây điện trở lên tờng lò bằng
Samốt (để tránh tạo ra hợp chất dễ chảy giữa dây và samốt). Để giữ cố định
dây điện trở ta dùng gạch gốm chất lợng tốt làm gạch đỡ dây điện trở (Samốt

(b)

A

A-A


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

D

B

t

t

(c)

Hình.1.1.1. Các kích thớc cơ bản của dây điện trở


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Trong đó:
a; Dây điện trở tròn kiểu dích dắc
b; Dây điện trở tiết diện chữ nhật kiểu dích dắc
c; Dây tiết diện tròn kiểu xoắn lò xo.

chắn của dây giữa các vòng xoắn là nhỏ. Đờng kính trung bình của vòng
xoắn D càng lớn thì khả năng phân bố công xuất trên 1 m2 tờng lò càng lớn,
nhng độ bền cơ học yếu đi và dễ sảy ra biến dạng của đờng xoắn dới tác
dụng của bản thân dây xoắn. Khi đặt dây xoắn nằm tự do thì giá trị D/d
không lớn hơn 10.
Bảng.1.3. Các giá trị (D/d )max tuỳ theo nhiệt độ dây và vật liệu dây

Nhiệt độ dây, 0 C
1000
1100
1200
1300
Ghi chú:

Cr Ni

Fe Cr - Ni

10
9
-

8
7
6
5


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Lời nói đầu

vì các kim loại nguyên chất thờng có những tính chất không có lợi cho việc
chế tạo dây nung nh:
+ Điện trở xuất nhỏ
+ Hệ số nhiệt điện trở lớn
+ Bị ô xy hoá mạnh trong môi trờng khí quyển bình thờng
Dây nung kim loại nguyên đơn: Mo, W, C (Graphít) với lò có nhiệt độ
làm việc cao hơn 16000C.
Dây nung phi kim loại thờng dùng phổ biến là SiC,C (graphít) than,
Cripton:
+ Vật liệu Cacborun:
Trong số các vật liệu phi kim loại đợc sử dụng bằng dây đốt là vật liều
cacborun. Các thanh nhiệt SiC chỉ khác nhau về cấu trúc cũng nh phơng pháp
về chế tạo. SiC chịu đợc độ từ 13500C đến 14500C nên có thể đảm bảo cho lò
đạt tới nhiệt độ đó. Điện trở SiC lớn hơn rất nhiều so với kim loại, chúng đạt
tới 800 đến 1900


.mm 2 . Vì vậy, các thanh SiC phải có tiết diện lớn. Các
m

thanh Cacborun giòn, tăng nhiệt độ khi đun, nên phải sấy và nâng nhiệt từ từ,
điện trở của Cacborun giảm khi nhiệt độ tăng. Khi làm việc các thanh này bị
già hoá (điện trở tăng lên khi tăng thời gian sử dụng). Sau 60 đến 80 giờ làm
việc đầu tiên, điện trở tăng 20%, sau đó tăng chậm hơn.
Vì điện trở tăng dần do bị già hoá, vậy muốn đảm bảo công suất, cần phải
2

tăng điện áp cấp vào lò, ( P = U W ). Lò làm việc với thanh nung Cacborun

cũ.
Kiểu thanh
Thanh nung công
nghiệp
KHC 25 ì 300
KHC 25 ì 300
KHC 25 ì 400
KHC 32 ì 560
KHMB 25 ì 400
Dùng ở phòng thí
nghiệm
KHM - 8 ì 100
KHM - 8 ì 150
KHM - 8 ì 150
KHM - 8 ì 150
KHM - 8 ì 180
KHM - 8 ì 180
KHM - 8 ì 180
KHM - 8 ì 180
KHM - 8 ì 200
KHM - 8 ì 250
KHM - 12 ì 250
KHM - 14 ì 300

Kích thớc, mm
Điện trở của
Diện
toàn thanh ở
tích bề
Chiều dài

270
320
420
300
350
400
480
500
450

14
14
14
14
14
14
14
14
14
14

25.1
37.8
37.8
37.8
45.2
45.2
45.2
45.2
50.2

132.0

1.5 ữ 3.0
1.75 ữ 3.5

280
320
320

-

75.4
86.5
115

4.4 ữ 9.0
4.5 ữ 9.0
4.5 ữ 9.0

Ghi chú:
1. Sai số điện trở không lớn hơn 4%
2. hai chữ số viết ở mác thanh nung: chữ số thứ nhất là đờng kính
phần làm việc, chữ số thứ hai là chiều dài phần làm việc.
1.3. Một số kết cấu lò điện trở trong công nghiệp:
Các lò điện trở thờng dùng ở Việt Nam có nhiều loại và nguồn gốc
khác nhau. Đa phần là lò Liên Xô cũ, một số khác của Đức, Tiệp, Hung v.v.
và một số lò thí nghiệm hoặc lò công suất nhỏ dùng để sấy, nung nhiệt luyện
của Mỹ, Pháp, Nhật, ý, Đài Loan .v.v. Một số lò do Việt Nam thiết kế, chế
tạo dựa theo tiêu chuẩn Liên Xô. Nói chung các loại lò đều có kết cấu tơng
tự nh nhau với dải công suất từ vài KW đến hàng trăm KW và dải nhiệt độ dới 20000C.

2. Phân loại lò điện trở.
2.1. Phân loại theo nơi sử dụng:
Lò dùng trong công nghiệp
Lò dùng trong nganh y tế
Lò dùng trong phòng thí nghiệm
Lò dùng trong đời sống hàng ngày.
2.2. Phân loại theo nhiệt độ làm việc của lò:
Lò nhiệt độ thấp (t < 6500C)
bình (t = 6500C ữ 12000C)
Lò nhiệt độp trung
Lò nhiệt độ cao (t > 1200 C)

p

0

ôđ



2.2.3. Phân loại theo chế độ làm việc của lò:

mt

t
0

Đồ thị nhiệt độ và công suất lò làm việc liên tục




Lò ủ
Lò nung
Lò nấu chảy
2.2.6. Phân loại theo phơng pháp toả nhiệt của lò:
Lò điện trở tác dụng trực tiếp là lò điện trở mà vật nung đợc nung
nóng trực tiếp bằng dòng điện chạy qua nó. Đặc điểm là nung nhanh, cấu
trúc lò đơn giản. Để đảm bảo nung đều thì vật nung phải có tiết diện nh nhau
theo chiều dài
vật.
Lò điện trở tác dụng gián tiếp là lò điện trở mà nhiệt lợng toả ra ở dây
điện trở, rồi dây điện trở sẽ truyền nhiệt cho vật nung.

3. Phạm vi ứng dụng:
3.1. Trong luyện kim và chế tạo máy:
Lò điện có một vị trí quan trọng và thờng dùng để sản xuất thép chất lợng cao, sản xuất các hợp kim phe ro, nhiệt luyện
và hoá nhiệt luyện, nung các vật phẩm, sản xuất đúc và kim loại bột.

3.2. Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm:
Lò điện đợc dùng để sấy, mạ vật phẩm và chuẩn bị vật phẩm
3.3. Trong công nghiệp hoá học:
Lò điện đợc sử dụng để sản xuất CaS2, B4C, SiC, sản xuất phốt pho
vàng, sản xuất các kim loại kiềm thổ
3.4. Trong các lĩnh vực khác:
Lò điện dợc sử dụng để sản xuất vật phẩm thuỷ tinh, gốm, sứ, các loại vật liệu chịu lửa.
Nh vậy lò điện trở không những có mặt trong các ngành công nghiệp quan trọng mà ngày nay càng đợc sử dụng phổ biến
trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con ngời một cách phong phú và đa dạng nh bếp điện, nồi cơm điện, bình đun nớc điện, thiết bị
nung, sấy điện



của
lò) Có thể dẫn đến làm h hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên vật liệu tăng giá
thành sản phẩm.


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận của lò
điện trở là khả năng thay thế nhanh hoặc khả năng dự trữ lớn khi lò làm việc
bình thờng. Theo quan điểm chắc chắn, trang thiết bị cần chú ý đến các bộ
phận quan trọng nhất, quyết định sự làm việc liên tục của lò nh dây nung, lớp
cách nhiệt
4.1.4. Tiện lợi khi sử dụng nghĩa là yêu cầu:
Số nhân viên phục vụ tối thiểu
Không yêu cầu trình độ chuyên môn cao, không yêu cầu sức lực và độ
dẻo dai của nhân viên phục vụ
Số lợng các thiết bị hiếm và quí bị hao mòn nhanh yêu cầu tối thiểu.
Theo quan điểm an toàn lao động, điều kiện làm việc phải hợp vệ sinh
và tuyệt đối an toàn.
4.1.5. Rẻ và đơn giản khi chế tạo:
Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quí và hiếm: các kim
loại màu, các hợp kim có hàm lợng Ni cao
Công nghệ ché tạo đơn giản nghĩa là khả năng chế tạo phải sao cho
ngày công ít nhất và tận dụng đợc các thiết bị, dụng cụ thông thờng có sẵn
trong các nhà máy chế tạo để gia công.
Các loại vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải ít nhất
Sử dụng đến mức độ tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loạiđể rễ
dàng đổi lẫn và thuận tiện khi lắp ráp .
Chọn hợp lý các dạng gia công để phù hợp vơi điều kiện chế tạo (đúc,

+ Dây nung: gọi là nung gián tiếp khi dây nung đợc nung nóng nó sẽ
truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp
Vậy nên khi nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu
làm dây nung, nó là bộ phận quan trọng, phát nhiệt của lò.
4.2. Cấu tạo lò điện trở:
Lò điện trở gồm ba phần chính là; vỏ lò, lớp lót, dây nung.
4.2.1. Vỏ lò:


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

vỏ lò điện trở làm bằng thép là một khung cứng, vững, chủ yếu để chịu
tải trọng trong quá trình làm việc của lò. Vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách
nhiệt và đảm bảo sự kín của lò để giảm tổn thất nhiệt và tránh sự lùa của
không khí lạnh vào lò. Khung vỏ lò cần cứng, vững đủ để chịu đợc tải trọng
của lớp lót, phụ tải lò (vật nung ) và các cơ cấu phụ gắn trên vỏ lò.
Vỏ lò điện trở hình trụ tròn dùng thep tấm dầy 2mm, đờng kính lò =
540mm , lớp lót hình trụ rỗng dầy 130mm. Kích thớc đáy dài 440mm, rộng
570 mm, cao 180mm (từ chỗ hàn tiếp giáp với vỏ lò) , chéo 20 cm . Lắp lò
cũng làm bằng thép đờng kính 440 mm .
Trên lò có gắn lỗ để đa can nhiệt vào, để đo nhiệt độ và lỗ bên hông,
để hút chân không không khí.
4.2.2. Lớp lót:
Lớp lót lò điện trở gồm 2 phần; vật liệu chịu lửa và phần cách nhiệt.
Vật liệu chịu lửa đợc xây bằng bột gạch chịu lửa, trên đó có gắn dây
nung sắp xếp theo chiều cố định xung quanh nó. Phần cách nhiệt nằm giữa
vỏ ngoài lò và vật liệu chịu lửa để giảm tổn thất nhiệt khi lò làm việc. Phần
này đợc xây bàng bột cách nhiệt (xỉ bông, sợi amiăng )
4.2.3. Dây nung:

[ m]

4. . .W 2

a

b


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu
Dây điện trở chữ nhật ( b/a = m )

a=

3

l=

5.10 4. .P 2
[ mm]
m.(m + 1).U 2 .W
3

2,5.P.U 2 .m
[m]
(m + 1) 2 . .W 2

Các ký hiệu trong các công thức trên;


- Yêu cầu của thiết kế là phải điều chỉnh đợc nhiệt độ trong lò theo
mong muốn.
+ Công thức tính công suất lò:
U2
P=
(W )
I

+ Muốn thay đổi nhiệt độ trong lò thì ta phải thay hoặc điện trở tải (Tiết
diện dây đốt, chiều dai dây đốt) hoặc điện áp trên tải (điện áp vào lò). Mà tiết
điện dây đốt, chiều dài dây đốt là cố định. Vậy muốn thay đổi nhiệt đọ lò ta
chỉ có thể thay đổi điện áp vào lò qua thiết bị điều khiển.
+ Công thức tính điện trở lò: