Khi điện áp xoay chiều hoặc một chiều được nối tiếp với một thanh kim loại hoặc một vật liệu dẫn điện, lúc đó trong vật liệu sẽ có một dòng điện chạy qua.. Mà dòng điện này sẽ sản sinh r
Trang 1Chương 7 : NUNG NÓNG CAO TẦN 7.1 Khái niệm:
Sự nung nóng vật liêu bằng điện sẽ nhanh hơn, sạch hơn và được điều khiển một cách chính xác hơn là nung nóng bằng phương pháp dùng lò nhiên liệu Do vậy khi xét tất cả các yếu tố đó, ta thấy rằng nung nóng bằng điện là kinh tế nhất Khi điện áp xoay chiều hoặc một chiều được nối tiếp với một thanh kim loại hoặc một vật liệu dẫn điện, lúc đó trong vật liệu sẽ có một dòng điện chạy qua Mà dòng điện này sẽ sản sinh ra ở trong vật liệu dẫn điện đó một lượng nhiệt với tốc độ = I R2.
trong đó I là dòng chạy qua vật liệu, R là điện trở của vật liệu
Phương pháp làm nóng này thường được dùng trong các lò điện trở Năng lượng điện cũng được dùng trong các lò hồ quang và các lò hồng ngoại và nhiệt độ của các lò này thấm sâu vào vật liệu từ phía ngoài Tuy nhiên trong thực tế, nhiệt có thể được sản sinh trong vật liệu dẫn điện bằng nung nóng cảm ứng hoặc với vật liệu không dẫn điện cũng có thể được nung nóng từ bên trong bằng nung nóng điện môi Hai quá trình này đòi hỏi dùng năng lượng xoay chiều cao tầng
So sánh Nung nóng cảm ứng Nung nóng điện môi
Nguyên lý Dùng từ trường Dùng điện trường
Năng lượng Dòng cảm ứng Chu trình điện môi
Vật liệu Vật liệu dẫn điện Vật liệu không dẫn điện
7.2 Nung nóng cảm ứng :
7.2.1 Nguyên lý :
Một vật liệu dẫn điện bất kỳ có thể được nung nóng bằng cách đặt gần một mạch xoay chiều Xét sơ đồ mạch đơn giản gồm ống dây có dòng điện xoay chiều cao tần chạy qua
Trong thực tế, để nâng cao hiệu quả thì người ta đặt luôn vật liệu dẫn điện ở trong lòng ống dây nhưng phải cách điện với ống dây
Dòng điện phát sinh ra một từ trường hay từ thông từ thông này sẽ chạy qua mỗi vòng dây và chạy qua không khí hoặc chạy qua một kim loại bất kỳ đặt cạnh hoặc trong lòng ống dây Mỗi lần dòng điện đổi chiều từ thông cũng thay đổi Chính sự thay đổi từ thông này sẽ gây ra hay cảm ứng một phần điện áp trong phần vật liệu cần gia công Điện áp này sẽ tạo ra dòng điện xoáy rất lớn chạy trong kim loại Do dòng cảm ứng này chạy qua điện trở của vật liệu dẫn điện cần gia công tạo ra nhiệt Nhưng
60
Trang 2ωµσ πµσ
f
H/m 10 4
;
0
) (
0
m w
F a H
p
δ σ
π
=
2
1 5
2 5
, 2
f
a a
πµσ
δ
người ta gọi là nung nóng cảm ứng Tùy thuộc tần số làm việc mà dòng điện sẽ chạy ở một lớp nào đó của vật liệu
7.2.2 Hiệu ứng da (hiệu ứng bề mặt) :
Dòng điện cao tần có khuynh hướng tập trung ở bề mặt vật liệu dẫn điện gọi là hiệu ứng da hay hiệu ứng bề mặt ⇒ tần số càng cao thì dòng điện chỉ chạy ngoài bề mặt càng lớn
Gọi δ là chiều sâu thâm nhập ⇒δ được xác định :
ω = 2πf σ : điện dẫn suất
Tần số càng cao mật độ dòng điện tập trung ở bề mặt vật liệu càng lớn Tuy nhiên, bao giờ cũng tồn tại một tần số giới hạng trên nghĩa là nếu ta tăng tần số làm việc lớn hơn tần số giới hạn thì hiệu suất nung nóng sẽ giảm và lúc đómất mát trên ống dây sẽ tăng Để làm chảy kim loại hoặc làm nóng một vật thể lớn đều khắp trong thể tích , lúc đó người ta phải dùng tấn số thấp hơn (cở 10khz) trong thưc tế người
ta chọn cở vài khz Sự nung nóng đều khắp trong thể tích vật liệu người ta gọi là nung nóng toàn phần Với phương pháp này, nhiệt sảng sinh ra trong thép nhanh gấp 50 lần nhiệt có thể truyền vào trong kim loại khi đặt vào lò nung.nhiệt độ của nó đồng đều hơn trong toàn bộ thể tích của vật liệu
6.2.3 Công suất phát sinh trong vật cần đốt nóng:
Trong điện từ học người ta chứng minh được rằng : công suất phát sinh trong một thanh kim loại hình trụ được cho bởi công thức :
a : Bán kính vật dẫn điện hình trụ
δ : Chiều sâu thâm nhập
σ : Điện dẫn suất
hinh ve
F là hằng số ; F= (a/δ) Khi a/δ khá lớn ⇒ F ~ 1 Tần số ứng với a/δ = 2.5 gọi là tần số giới hạn
61
Trang 3) (
M
2
1
T T MS Sdt
T
T
−
=
Khi 7.2.4 Năng lượng cần dùng :
Gọi W là năng lượng cần dùng để nung nóng vật từ nhiệt độ T1 đến nhiệt độ T2 là :
M : Kg; S : J/ 0K.Kg : Nhiệt dung riêng
Nếu cho lò nung chạy với công suất là P Suy ra thời gian cần thiết để vật liệu tăng đến nhiệt độ T2 :
t = W/P : Toàn bộ nhiệt lượng tỏa ra bằng nhiệt lượng thu vào
Tuy nhiên, trong đốt nóng cao tần người ta còn kể mất mát do : bức xạ, đối lưu, nhiệt dẫn
Công suất mất mát do bức xạ được cho bởi phương trình Stefan - Bonzman
Pr = C.A.[T14 - T04 ]
A : diện tích bề mặt bức xạ(m2 )
C : Hệ số bức xạ : = 5,73.10-8[W/m2.0K]
T0 : nhiệt độ môi trường
7.2.5 Các máy phát cao tần :
Để tạo ra dòng điện xoay chiều cao tần người ta dùng các phương pháp sau đây : 7.2.5.1 Dùng máy phát :
f =N.P
f = 60n/P
n : Số vòng quay
P : Số cặp cực từ
Đối với trường hợp này cho phép làm việc với tần số hẹp từ 1 đến vài chục Khz Công suất có thể tạo ra đến 1500KW Hiệu suất đạt 80%
7.2.5.2 Dùng bộ dao động tần số cao :
Dùng BJT, FET : cho công suất thấp, tần số đến hàng Mhz
Dùng đèn điện tử : cho công suất lớn, dòng anod đạt đến vài trăm ampe, công suất vài nghìn kw
7.2.5.3 Dùng SCR :
Cho phép dòng hàng ngàn ampe nhưng tần số không được cao cở vài trăm khz Hiệu suất cao ~ 90%
7.2.6 Ứng dụng :
Nấu chảy kim loại
62
Trang 4Tôi kim loại
Đổ khuôn kim loại(chế tạo các khuôn kim loại)
7.3 Nung nóng điện môi:
Dùng cho các vật liệu không dẫn điện như gỗ, thực phẩm :
7.3.1 Nguyên lý : Đặt phần vật liệu không dẫn điện vào giữa hai bản cực được nối với dòng điện cao tần xoay chiều Khi đó vật liệu không dẫn điện giữ vai trò như chất điện môi, dưới tác dụng của điện trường, cấu trúc phần tử của vật liệu biến dạng khi điện trường xoay chiều biến thiên nhanh Sự cọ sát của các phân tử sẽ sinh ra nhiệt lượng và nhiệt lượng sinh ra trong phần vật liệu không dẫn điện là do chu trình điện môi
Gọi C là điện dung của tụ điện :
k : hằng số phụ thuộc kích thước
ε : hằng số điện môi với :
R : Đặc trưng cho tổn hao của tụ
ϕ : góc tổn hao
k
C=ε
ϕ
ε
ε = e−j
ϕ εω
ϕ εω
ε ω
ω
ϕ
cos sin
) (
v k j v
k I
e k v j I
v jc I dt
dv C i
j
c c
+
=
=
⇒
=
→
=
−
ϕ ε
ϕ εω
cos sin 1
k
C
k
R
=
=
∗
Trang 5: Công suất tỏa nhiệt trên điện môi chính là do tổn hao trên R Tụ C tích lũy một năng lượng là :
Gọi E là cường độ điện trường hiệu dụng giữa 2 bản cực của tụ điện ⇒ Gọi PD là công suất trong 1 đơn vị thể tích
Ta lại có :
Xét sự phân bố công suất trong điện môi có dạng hình trụ với đường kính d =
50 cm Hiện tượng này ngược lại với sự nung nóng cảm ứng
Gọi fc là tần số giới hạn ⇔ là tần số mà năng lượng ở ngoài bìa = 95% năng lượng ở trung tâm
a : bán kính (m)
εr : hằng số điện môi Nếu ϕ << thì tg2ϕ << 1
7.3.2 Ứng dụng :
Ép Plastic, dùng sản xuất cao su lưu hóa, dùng nấu chảy thủy tinh, dùng sấy gỗ, thuốc lá , bông gòn
64
ϕ
2
2
k V
R
V
P= =
ϕ ω
ϕ ε
Wtg P
V k
V C W
2
cos 2
1 2
=
⇒
=
] [ 1
10 56 , 5
1 sin
; 36 10
3
2 2 11
2 9
m W r
D
r D
E tg
tg f
P
tg tg
d S
P P
ϕ
ϕ ε
ϕ
ϕ ϕ
ε π ε
+
=
+
=
=
=
−
−
[Mhz]
31 , 14
r c
a
f
ε
=
2
11 10
56 ,
P D = − εr ϕ