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

họn và thiết kế lò. Hình dáng sơ bộ của lò được trình bày trên hình 3.2: Hình 3.2. Hình dáng sơ bộ của lò điện trở ủ rulô cáp nhôm. 1 – Đường ray. 6 – Các tấm ngăn và vỏ lò bằng thép. 2 – Dây điện trở. 7 – Đáy lò di động. 3 – Các rulô cáp nhôm. 8 – Dao rạch trên máng cát. 4 – Lớp xỉ bông cách nhiệt. 9 – Máng cát. 5 – Quạt gió tuần hoàn. 10 – Bê tông móng lò. Nguyên lý làm việc của lò: - Các rulô cáp nhôm được xếp lên đáy lò di động 7 ở bên ngoài buồng lò. Sau đó đáy lò 7 được đẩy vào trong lò nhờ hệ thống đường ray 1. Khi toàn bộ đáy lò đã được đưa vào, ta đóng chặt cửa lò, tiến hành kiểm tra độ kín khít của lò và độ an toàn của toàn bộ hệ thống cấp điện cho lò rồi mới cho lò hoạt động. - Trước tiên, ta bật nguồn điện cho quạt gió tuần hoàn 5 chạy để cung cấp gió và tạo sự tuần hoàn của gió trong buồng lò. Sau khi quạt chạy được khoảng 3 á 5 phút, ta sẽ đóng cầu dao cấp điện cho dây điện trở hoạt động. Trong quá trình lò làm việc, quạt gió tuần hoàn 5 sẽ hút không khí từ không gian buồng lò thổi tạt sang hai không gian bố trí dây điện trở 2 ở hai phía tường bên để nhận nhiệt từ dây điện trở. Sau khi nhận nhiệt từ dây điện trở xong, luồng không khí nóng này lại được thổi tạt sang không gian làm việc của buồng lò thông qua các lỗ khoan trên tấm thép ngăn. Trong không gian làm việc của buồng lò, không khí nóng sẽ trao đổi nhiệt đối lưu với các rulô cáp nhôm 3 rồi lại được hút lên trên và được thổi tạt sang hai bên nhờ quạt gió. Quá trình lưu chuyển và trao đổi nhiệt giữa không khí với dây điện trở trong không gian 2 và các rulô cáp nhôm 3 cứ thế diễn ra trong suốt quá trình làm việc của lò. Hệ thống dao rạch cát 8 và máng cát 9 giúp tạo độ kín khít cho buồng lò khi di chuyển đáy lò di động 7 vào và ra khỏi lò. 3.2. Tính các kích thước cơ bản của lò 3.2.1 Tính kích thước nội hình lò Việc xác định kích thước nội hình lò phải căn cứ vào: - Số lượng rulô được chất trong lò. - Phương pháp xếp rulô trên đáy lò. - Khả năng trao đổi nhiệt giữa không khí tuần hoàn và dây cáp nhôm quấn ở các rulô. Như vậy, để xác định kích thước nội hình lò trước hết ta phải xác định số lượng rulô cần bố trí và phương pháp bố trí các rulô trên đáy lò. a) Tính khối lượng thép làm lõi quấn rulô: Trên cơ sở kích thước hình học của lõi rulô và khối lượng riêng của thép ta tính được khối lượng thép làm lõi quấn của 1 rulô (xem hình 3.1). = Vlõi . rthép , [kg]. (3.1) Trong đó: rthép : khối lượng riêng của thép, rthép = 7800 [kg/m3]. Vlõi : thể tích của lõi thép, được xác định theo công thức sau: Vlõi [m3]. với: f1 : đường kính ngoài mặt bích rulô, f1 = 0,610 [m]. H1 : chiều dày mặt bích rulô, H1 = 0,010 [m]. f2 : đường kính ngoài của lõi rulô, f2 = 0,270 [m]. f3 : đường kính trong của lõi rulô, f3 = 0,250 [m]. H2 : chiều cao của lõi quấn rulô, H2 = 0,335 [m]. f4 : đường kính trong mặt bích rulô, f4 = 0,060 [m]. Vlõi, [m3]. Theo công thức (3.1) ta có: = Vlõi . rthép = 0,0086881.7800 = 67,77 [kg]. b) Tính khối lượng của dây cáp nhôm quấn ở một rulô: Dây cáp nhôm được quấn bắt đầu từ đường kính ngoài của lõi rulô f2 = 270 [mm] tới bề mặt ngoài có = 570 [mm] (cách mặt ngoài f1 một khoảng cách 20 [mm]). Với cách quấn này ta sẽ xác định khối lượng dây cáp nhôm quấn ở một rulô. = VAl . rAl . k , [kg]. (3.2) Trong đó: k : hệ số điền đầy của cáp nhôm khi quấn trên rulô, theo số liệu thực tế của nhà máy, k = 0,75. rAl : khối lượng riêng của nhôm, rAl = 2700 [kg/m3]. VAl : thể tích được quấn cáp nhôm, [m3]. VAl = , [m3]. (3.4) Với: : đường kính bề mặt ngoài của cáp nhôm sau khi quấn xong, = 0,570 [m]. f2 : đường kính ngoài của lõi rulô, f2 = 0,270 [m]. H2 : chiều cao của lõi quấn rulô, H2 = 0,335 [m]. VAl = , [m3]. Theo công thức (3.2) ta có: = 0,0663033.2700.0,75 = 134,264 [kg]. c) Tính số lượng rulô xếp trong lò và bố trí rulô trên đáy lò: , [rulô]. (3.3) Trong đó: N : số lượng rulô xếp trong lò, [rulô]. G : năng suất của lò, theo yêu cầu thiết kế G = 3000 [kg/mẻ]. : khối lượng cáp nhôm quấn ở một rulô, = 134,264 [kg]. [rulô] , lấy N = 23 [rulô]. Với số lượng rulô đã chọn, ta kiểm tra lại năng suất thực tế của lò: GAl = .N = 134,264.23 = 3088 [kg]. Như vậy, năng suất thực tế của lò cao hơn so với năng suất của yêu cầu thiết kế là : GAl - G = 3088 – 3000 = 88 [kg]. Từ số lượng rulô đã tính được, ta chọn phương thức bố trí rulô trên đáy lò như sau (xem hình 3.3): - Các rulô được xếp làm hai tầng: tầng 1 gồm 15 rulô, tầng 2 gồm 8 rulô. - ở tầng dưới, các rulô được bố trí làm 3 hàng, mỗi hàng gồm 5 rulô: + Khoảng cách giữa các hàng, a = 100 [mm] + Khoảng cách giữa đầu rulô với tường bên lò, b = 150 [mm]. + Khoảng cách giữa các rulô với tường cuối lò, A = 150 [mm]. + Khoảng cách giữa các rulô với cửa lò, B = 400 [mm]. + ở hàng đầu và hàng cuối (tính theo chiều dọc lò) ta dùng các thanh thép hình để chặn (tránh hiện tượng rulô bị lăn trên đáy lò). - ở tầng trên, các rulô được bố trí làm hai hàng, mỗi hàng gồm 4 rulô: + Khoảng cách giữa các hàng là a = 100 [mm]. + Khoảng cách giữa mặt trên của rulô và nóc lò, h = 500 [mm]. Hình 3.3a. Mặt cắt ngang lò của phương thức bố trí rulô. Hình 3.3b. Mặt cắt dọc lò của phương thức bố trí rulô. d) Tính kích thước nội hình lò: - Chiều rộng nội hình lò: Bn = n.H3+(n-1).a+2.b (3.4) Trong đó: Bn: chiều rộng nội hình lò, [mm]. n: số hàng ru lô xếp trên đáy lò, n = 3. H3 : chiều cao tổng của rulô, H3 = 355 [mm]. a : khoảng cách giữa các hàng, a = 100 [mm]. b : khoảng cách giữa đầu rulô với tường bên của lò, b = 150 [mm]. Bn = 3.355 + (3 - 1).100 + 2.150 = 1565 [mm]. Bn = 1565 [mm] - Chiều dài nội hình lò: Ln = n1.f1 + A + B. (3.5) Trong đó: Ln : chiều dài nội hình lò, [mm] n1 : số rulô trong một hàng ở tầng dưới (tính theo tầng dưới vì tầng này có nhiều rulô hơn), n1 = 5. f1 : đường kính ngoài mặt bích rulô, f1 = 610 [mm]. A: khoảng cách giữa các rulô với tường cuối lò, A = 150 [mm]. B: khoảng cách giữa các rulô với cửa lò, B = 400 [mm]. Ln = 5.610 + 150 + 400 = 3600 [mm]. Ln = 3600 [mm] - Chiều cao nội hình lò: Hn = Hliệu + h (3.6) Trong đó: h: khoảng cách từ mặt trên của tầng rulô thứ 2 và nóc lò, h = 500 [mm] Hliệu : chiều cao của 2 tầng rulô, được mô tả trên hình 3.4 và xác định bằng công thức: Hliệu = 2.R1 + HD . (3.7) với: R1 : bán kính ngoài mặt bích rulô, R1 = 305 [mm]. HD : chiều cao của tam giác đều tạo bởi tâm của 3 rulô, được mô tả trên hình 3.4: Hình 3.4. Mặt cắt đứng của phương thức bố trí rulô. HD = f1.sin600 = f1.. Theo công thức (3.7) ta có: Hliệu = f1.(1 + ) = 610. (1 + ) = 1140 [mm]. Theo công thức (3.6) ta có: Hn = 1140 + 500 = 1640 [mm]. Hn = 1640 [mm] 3.2.2. Tính các kích thước ngoại hình lò: Các kích thước ngoại hình lò được xác định dựa trên các kích thước nội hình lò và chiều dày của tường lò, nóc lò. Chiều dày tường lò, nóc lò Kích thước nội hình lò Kích thước ngoại hình lò Chúng ta đã tính được các kích thước nội hình của lò, bây giờ ta sẽ thiết kế cấu trúc của tường lò, nóc lò (chiều dày và vật liệu). a) Cấu trúc của tường lò, nóc lò và đáy lò: * Cấu trúc của tường lò và không gian bố trí dây điện trở. Cấu trúc của tường lò và không gian bố trí dây điện trở được trình bày trên hình 3.5 : Hình 3.5. Cấu trúc của tường lò và không gian bố trí dây điện trở. Cấu trúc của tường lò và không gian bố trí dây điện trở gồm: 1 - Lớp thép ngăn có lỗ để gió nóng thổi qua : d1 = 3 [mm]. 2 – Dây điện trở và không gian bố trí dây điện trở: dkhg = 200 [mm]. 3 – Lớp vỏ giữa (làm bằng thép tấm): d2 = 3 [mm]. 4 – Lớp cách nhiệt bằng xỉ bông: dbông = 160 [mm]. 5 – Lớp vỏ lò (làm bằng thép tấm): dvỏ = 3 [mm]. * Cấu trúc của tường đuôi lò: Cấu trúc của tường đuôi lò được trình bày trên hình 3.6: Hình 3.6. Cấu trúc của tường đuôi lò. Cấu trúc của tường đuôi lò gồm 3 lớp: 1 – Lớp vỏ trong (làm bằng thép tấm): d2 = 3 [mm]. 2 – Lớp cách nhiệt bằng xỉ bông: dbông1 = 240 [mm]. 3 – Lớp vỏ lò (làm bằng thép tấm): dvỏ = 3 [mm]. * Cấu trúc của cánh cửa lò: Cấu trúc của cánh cửa lò được trình bày trên hình 3.7: Hình 3.7. Cấu trúc của cánh cửa lò. Cấu trúc của cánh cửa lò gồm 3 lớp: 1 – Lớp vỏ trong (làm bằng thép tấm): d2 = 3 [mm]. 2 – Lớp cách nhiệt bằng xỉ bông: dbông2 = 210 [mm]. 3 – Lớp vỏ lò (làm bằng thép tấm): dvỏ = 3 [mm]. * Cấu trúc của đáy lò: Cấu trúc của đáy lò được trình bày trên hình 3.8: Hình 3.8. Cấu trúc của đáy lò. Cấu trúc của đáy lò gồm 3 lớp: 1 – Lớp vỏ trong (làm bằng thép tấm): d2 = 3 [mm]. 2 – Lớp cách nhiệt bằng xỉ bông: dbông = 160 [mm]. 3 – Lớp vỏ lò (làm bằng thép tấm): dvỏ = 3 [mm]. * Cấu trúc của nóc lò: Cấu trúc của nóc lò được trình bày trên hình 3.9: Hình 3.9. Cấu trúc của nóc lò. Cấu trúc của nóc lò gồm có 5 lớp: 1 - Lớp thép ngăn có lỗ để quạt gió hút không khí từ trong buồng lò: d1 = 3 [mm]. 2 – Vùng hút không khí ở tâm nóc và đẩy không khí sang hai bên: dkhg = 200 [mm]. 3 – Lớp vỏ giữa (làm bằng thép tấm): d2 = 3 [mm]. 4 – Lớp cách nhiệt bằng xỉ bông: dbông = 160 [mm]. 5 – Lớp vỏ lò (làm bằng thép tấm): dvỏ = 3 [mm]. Trên cơ sở kích thước của từng lớp vật liệu cấu trúc tường lò, nóc lò và đáy lò đã trình bày ở trên ta xác định được kích thước ngoại hình lò. b) Tính kích thước ngoại hình lò: - Chiều rộng ngoại hình lò: Bng = Bn + 2.( d1 + dkhg + d2+ dbông + dvỏ). trong đó: Bng : chiều rộng ngoại hình lò, [mm]. Bn : chiều rộng nội hình lò, Bn = 1565 [mm] d1 : chiều dày lớp thép ngăn, d1 = 3 [mm]. dkhg : chiều dày không gian bố trí dây điện trở, dkhg = 200 [mm]. d2 : chiều dày lớp vỏ trong, d2 = 3 [mm]. dbông : chiều dày lớp xỉ bông, dbông = 160 [mm]. dvỏ : chiều dày lớp vỏ lò, dvỏ = 3 [mm]. Bng = 1565 + 2.(3 + 160 + 3 + 200 + 3) = 2303 [mm]. Bng = 2303 [mm] - Chiều dài ngoại hình lò: Lng = Ln + (d2 + dbông1 + dvỏ) + (d2 + dbông2 + dvỏ) trong đó: Lng : chiều dài ngoại hình lò, [mm]. Ln : chiều dài nội hình lò, Ln = 3600 [mm]. d2 : chiều dày lớp vỏ trong, d1 = 3 [mm]. dbông1 : chiều dày lớp xỉ bông ở đuôi lò, dbông1 = 240 [mm]. dvỏ : chiều dày lớp vỏ, dvỏ = 3 [mm]. dbông2 : chiều dày lớp xỉ bông ở đầu lò, dbông2 = 210 [mm]. Lng = 3600 + (3 + 240 + 3) + (3 + 210 + 3) = 4062 [mm]. Lng = 4062 [mm] Lng = 3860 [mm] - Chiều cao ngoại hình lò: Hng = Hn + ( d1 + dkhg + d2+ dbông + dvỏ) + Hđ. trong đó: Hng : chiều cao ngoại hình lò, [mm]. Hn : chiều cao nội hình lò, Hn = 1640 [mm]. d1 : chiều dày lớp thép ngăn, d1 = 3 [mm]. dkhg1 : chiều dày vùng hút không khí, dkhg = 200 [mm]. d2 : chiều dày lớp vỏ trong, d2 = 3 [mm]. dbông : chiều dày lớp xỉ bông, dbông = 160 [mm]. dvỏ : chiều dày lớp vỏ lò, dvỏ = 3 [mm]. Hđ : chiều cao đáy lò, Hđ = 380 [mm]. Hng = 1640 + (3 + 160 + 3 + 200 + 3) + 380 = 2389 [mm]. Hng = 2389 [mm] 3.3. Cấu Trúc của lò: Trên cơ sở các kích thước nội hình lò, các kích thước ngoại hình lò đã xác định được và cấu trúc lò đã chọn ta có được hình dáng cơ bản của lò. Hình dáng và các kích thước cơ bản của lò được trình bày trên hình 3.10a, 3.10b và hình 3.10c. Chương 4 Tính thời gian nung kim loại. 4.1. Các số liệu ban đầu Phôi được nung là các phôi trụ (các rulô cáp nhôm). Các kích thước cơ bản của rulô cáp nhôm đã được trình bày ở chương 3: Phôi được nung nóng nhờ trao đổi nhiệt đối lưu với không khí nóng tuần hoàn trong không gian lò. Các phôi được xếp liền nhau và xếp làm hai tầng (xem hình 3.3, hình 3.3a và hình 3.3b). Nhiệt độ trung bình của không khí nóng tuần hoàn trong lò: tkk = 250 [0C]. Nhiệt độ của dây cáp nhôm ở đầu giai đoạn nung: Nhiệt độ của dây cáp nhôm ở cuối giai đoạn nung: 4. 2. Chọn phương pháp nung và giản đồ nung 4.2.1. Phương pháp nung Rulô cáp nhôm có phần rỗng ở trong nên dây cáp nhôm được nung từ mặt ngoài vào và từ mặt trong ra (xem hình 4.1). Hình 4.1. Phương pháp nung các rulô cáp nhôm. Các rulô cáp nhôm được nung nóng chủ yếu nhờ trao đổi nhiệt đối lưu với không khí nóng tuần hoàn trong lò. Theo yêu cầu công nghệ, nhiệt độ của dây cáp nhôm ở cuối giai đoạn nung phải đạt được giá trị yêu cầu: = 180 [0C]. Nhưng vì dây cáp nhôm được quấn trên lõi các rulô nên nhiệt độ của các sợi cáp nhôm quấn ở lớp bề mặt (tm) sẽ cao hơn nhiệt độ của các sợi cáp nhôm ở lớp trong cùng (tt). Do vậy, ta sẽ nung nóng để nhiệt độ của dây cáp nhôm ở lớp bề mặt đạt được: tm = = 180 [0C]. Nếu kết thúc giai đoạn nung mà nhiệt độ của tâm (nơi có nhiệt độ thấp nhất) có sự sai khác lớn so với nhiệt độ bề mặt (Dt < [Dt]) thì ta phải thực hiện tiếp giai đoạn đồng nhiệt. Ngược lại, nếu kết thúc giai đoạn nung mà nhiệt độ của tâm có sự sai khác không lớn so với nhiệt độ bề mặt (Dt < [Dt]) thì ta không cần thực hiện giai đoạn đồng nhiệt nữa. 4.2.2. Giản đồ nung (xem hình 4.2) Với những phân tích đã trình bày ở trên ta chọn giản đồ nung hai giai đoạn với: Trong đó: [Dt] : độ chênh nhiệt độ cho phép giữa tâm và bề mặt. [Dt] = [Dt]/1 dm . d [0C]. với: [Dt]/1 dm : độ chênh nhiệt độ cho phép trên 1 [dm]. [Dt]/1 dm = 5 [0C]. [4] d : chiều dày toàn bộ các lớp dây cáp nhôm quấn trên rulô. ở đây: : đường kính của lớp cáp nhôm ngoài cùng quấn trên rulô. = 0,57 [m]. f2 : đường kính ngoài của lõi rulô, f2 = 0,27 [m]. vậy: [Dt] = 5.1,5 = 7,5 [0C]. Giản đồ nung được trình bày trên hình 4.2: Hình 4.2. Giản đồ nung phôi nhôm. 4.3. Tính thời gian nung 4.3.1. Nhiệt độ trung bình của bề mặt vật nung: . [2] Trong đó: : nhiệt độ trung bình của bề mặt vật nung, [0C]. : nhiệt độ ban đầu của bề mặt vật nung, = 20 [0C]. : nhiệt độ cuối của bề mặt vật nung, = 180 [0C]. 4.3.2. Tính hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (ađl) a) Tính tiêu chuẩn Reynolds (4.1) [5] trong đó: nkk : độ nhớt động học của không khí, với không khí nóng ở 250 [0C] ta có: nkk = 40,6.10 – 6 m2/s. [6] l : kích thước xác định, l = = 0,570 [m]. wkk : tốc độ của không khí tuần hoàn, xác định bằng công thức: [m/s]. với: V : lưu lượng quạt gió tuần hoàn, theo số liệu ban đầu ta có: V = 750 m3/phút = 12,5 m3/s. F : diện tích mặt cắt mà không khí đi qua (xem hình 4.3). F = F1 - F2 , [m2]. Hình 4.3. Diện tích mặt cắt mà không khí đi qua. F1 : diện tích mặt cắt dọc lò (tính từ phần được khoan lỗ của tấm thép giữa tới đáy lò). F1 = Ln.Hliệu , [m2]. ở đây: Ln : chiều dài nội hình lò, Ln = 3,6 [m]. Hliệu : chiều cao của hai tầng rulô, Hliệu = 1,140 [m]. F1 = 3,6.1,14 = 4,104 [m2]. F2 : tổng diện tích mặt cắt của các rulô vuông góc với phương thổi gió. ở đây: : đường kính của lớp cáp nhôm ngoài cùng quấn trên rulô, = = 0,570 [m]. : đường kính của lớp cáp nhôm trong cùng quấn trên rulô, = = 0,270 [m]. n1 : số rulô trong 1 hàng ở tầng dưới, n1 = 5 [rulô] (hình 3.3). n2 : số rulô trong 1 hàng ở tầng trên, n2 = 4 [rulô]. vậy: F = 4,104 - 1,781 = 2,323 [m2]. Do đó: Theo công thức (4.1) ta có: b) Tính tiêu chuẩn Nusselt Với chế độ đối lưu của không khí trong lò, không khí được thổi tạt qua các rulô xếp trên đáy lò, tiêu chuẩn Nusselt được xác định như sau: (4.2) [5] trong đó: Ref : tiêu chuẩn Reynolds, Ref = 75546. es : hệ số hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng của việc sắp xếp rulô trên đáy lò, với chùm ống song song ta có: với: S2 : khoảng cách giữa tâm của hai rulô cạnh nhau (tính theo chiều dọc của rulô). S2 = H3 + a = 0,355 + 0,100 = 0,455 [m]. ở đây: H3 : chiều cao tổng của rulô (chiều dài của rulô), H3 = 0,355 [m]. a : khoảng cách giữa hai hàng rulô, a = 0,100 [m]. d : đường kính của lớp cáp nhôm ngoài cùng quấn trên rulô, d = = 0,570 [m]. ei : hệ số hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng của các hàng ống, với chùm ống gồm hai hàng ống song song ta có: [5] với: e1 : hệ số hiệu chỉnh của hàng ống thứ nhất, e1 = 0,6. e2 : hệ số hiệu chỉnh của hàng ống thứ 2, e2 = 0,9. Theo công thức (4.2) ta có: c) Tính hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (ađl) Ta có: (4.3) trong đó : Nuf : tiêu chuẩn Nusselt, Nuf = 241,345. l : kích thước xác định, l = = 0,570 [m]. lkk : hệ số dẫn nhiệt của không khí ứng nhiệt độ tkk = 250 [0C], lkk = 4,27.10 – 2 [W/m.K]. [6] 4.3.3. Tính hệ số trao đổi nhiệt bức xạ (abx) a) Hệ số bức xạ quy dẫn (4.4) trong đó: eAl : độ đen của nhôm, eAl = 0,06. [5] et : độ đen của tường, et = ethép = 0,79. [5] FAl : diện tích bề mặt phôi nhôm tham gia trao đổi nhiệt bức xạ. với: : đường kính của lớp cáp nhôm ngoài cùng quấn trên rulô, = 0,570 [m]. H3 : chiều cao tổng của rulô, H3 = 0,355 [m]. N : số rulô được nung nóng trong lò, N = 23 [rulô]. n1 : số rulô trong 1 hàng ở tầng dưới, n1 = 5 [rulô]. n2 : số rulô trong 1 hàng ở tầng trên, n2 = 4 [rulô]. Ft : diện tích tường bao quanh lò, được xác định: Ft = Fn + Fxq , {m2]. với: Fn : diện tích của nóc lò, Fn = Bn.Hn = 1,565.1,64 = 5,634 [m2]. Fxq : diện tích tường lò xung quanh. Fxq = 2.(Bn.Hn + Hn.Ln) , [m2]. ở đây: Bn : chiều rộng nội hình lò, Bn = 1,565 [m]. Hn : chiều cao nội hình lò, Hn = 1,640 [m]. Ln : chiều dài nội hình lò, Ln = 3,600 [m]. Fxq = 2.(1,565.1,64 + 1,64.3,6) = 16,904 [m2]. vậy: Ft = 5,634 + 16,904 = 22,575 [m2]. Theo công thức (4.4) ta có: b) Hệ số trao đổi nhiệt bức xạ Trong đó: Cqd : hệ số bức xạ quy dẫn, Cqd = 0,3374 [W/m2 .K 4]. Tt : nhiệt độ của tường lò, Tt = tt +273 = 250 + 273 = 523 [K]. TAl : nhiệt độ trung bình của bề mặt lớp dây cáp nhôm, TAl = tAl +273 = 127 +273 = 400 [K]. Vậy: 4.3.4. Tính hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng aồ = ađl + abx , [W/m2 .K]. Trong đó: ađl : hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, ađl = 18,080 [W/m2.K]. abx : hệ số trao đổi nhiệt bức xạ, abx = 1,350 [W/m2.K]. aồ = 18,080 + 1,350 = 19,430 [W/m2.K]. 4.3.5. Tính thời gian nung (tn) a) Tính hệ số dẫn nhiệt của nhôm (sơ bộ) Để xác định hệ số dẫn nhiệt của nhôm ta cần biết được nhiệt độ của tâm phôi nhôm ở cuối giai đoạn nung. Nhưng do chưa biết nhiệt độ của tâm phôi ở cuối giai đoạn nung nên ta cần xác định hệ số dẫn nhiệt sơ bộ của nhôm. Hệ số dẫn nhiệt của nhôm phụ thuộc vào nhiệt độ của nhôm (xem bảng 4.1). Bảng 4.1. Hệ số dẫn nhiệt (l) của nhôm theo nhiệt độ. [4] Nhiệt độ [0C] 0 100 200 300 400 500 600 l [W/m.K] 202 206 229 272 319 371 423 Hệ số dẫn nhiệt của nhôm (tính sơ bộ) được xác định: Trong đó: : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ ban đầu của tâm phôi (20 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 202,8 [W/m.K]. : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ ban đầu của bề mặt phôi (20 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 202,8 [W/m.K]. : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ cuối giai đoạn nung của bề mặt phôi ( 180 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 224,4 [W/m.K] b) Tính tiêu chuẩn Bi (sơ bộ) (4.5) Trong đó: aồ : hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng, aồ = 19,430 [W/m2. K]. : hệ số dẫn nhiệt sơ bộ của nhôm, = 210 [W/m.K]. ST : chiều dày thấm nhiệt của phôi. ST = m . d , [m]. với: m : hệ số phụ thuộc vào cách cấp nhiệt cho phôi, với phôi nung là các rulô cáp nhôm rỗng, ta có: m = 0,8. [3] d : chiều dày của dây cáp nhôm quấn trên rulô. , [m] ở đây: : đường kính bề mặt ngoài của cáp nhôm sau khi quấn xong, = 0,57 [m]. f2 : đường kính ngoài của lõi rulô, f2 = 0,27 [m]. vậy: ST = 0,8. 0,15 = 0,12 [m]. Theo công thức (4.5) ta có: c) Tính tiêu chuẩn nhiệt độ bề mặt không thứ nguyên (qm ) (4.6) Trong đó: tkk : nhiệt độ của không khí nóng tuần hoàn, tkk = 250 [0C]. : nhiệt độ ban đầu của bề mặt rulô cáp nhôm, = 20 [0C]. : nhiệt độ cuối của bề mặt rulô cáp nhôm, = 180 [0C]. Từ (Bisb và qm), tra giản đồ 75 [10] ta tìm được tiêu chuẩn Fourier sơ bộ: Fosb = 50. Từ (Bisb và Fosb), tra giản đồ 76 [10] ta tìm được tiêu chuẩn nhiệt độ tâm sơ bộ: qtsb = 0,325. d) Tính nhiệt độ tâm phôi (sơ bộ) Ta có: (4.7) trong đó: tkk : nhiệt độ của không khí nóng tuần hoàn, tkk = 250 [0C]. : nhiệt độ ban đầu của tâm rulô cáp nhôm, = 20 [0C]. : nhiệt độ cuối của tâm rulô cáp nhôm, [0C]. qtsb : tiêu chuẩn nhiệt độ tâm sơ bộ, qtsb = 0,325. Từ công thức (4.7) ta có: . e) Tính hệ số dẫn nhiệt của nhôm (chính xác) trong đó: : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ ban đầu của tâm phôi (20 [0C]), tra theo ta có: = 202,8 [W/m.K]. : hệ số dẫn nhiệt ứng của nhôm với nhiệt độ ban đầu của bề mặt phôi (20 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 202,8 [W/m.K]. : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ cuối giai đoạn nung của tâm phôi (175,25 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 223,31 [W/m]. : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ cuối giai đoạn nung của bề mặt phôi (20 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 224,4 [W/m]. g) Tính tiêu chuẩn Bi (chính xác) Trong đó: aồ : hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng, aồ = 19,430 [W/m2. K]. : hệ số dẫn nhiệt chính xác của nhôm, = 213,3 [W/m.K]. ST : chiều dày thấm nhiệt của phôi, ST = 0,12 [m]. Từ (Bicx và qm), tra giản đồ 75 [10] ta tìm được tiêu chuẩn Fourier chính xác: Focx = 51,5. Từ (Bicx và Focx), tra giản đồ 76 [10] ta tìm được tiêu chuẩn nhiệt độ tâm chính xác: qt = 0,315. h) Tính nhiệt độ tâm phôi (chính xác) (4.7) Trong đó: tkk : nhiệt độ của không khí nóng tuần hoàn, tkk = 250 [0C]. : nhiệt độ ban đầu của tâm rulô cáp nhôm, = 20 [0C]. : nhiệt độ cuối của tâm rulô cáp nhôm, [0C]. qt : tiêu chuẩn nhiệt độ tâm chính xác, qt = 0,315. . i) Tính hệ số dẫn nhiệt độ: a [m2/h] (4.8) Trong đó : hệ số dẫn nhiệt chính xác của nhôm, = 213,3 [W/m.K]. rAl : khối lượng riêng của nhôm, rAl = 2700 kg/m3. : nhiệt dung riêng của nhôm, được xác định như sau: với: : nhiệt độ trung bình của nhôm cuối giai đoạn nung. : nhiệt độ trung bình của nhôm ban đầu, = 20 [0C]. : entanpi của nhôm ứng với nhiệt độ . = 170,889 [kJ/kg]. [4] : entanpi của nhôm ứng với nhiệt độ . = 18,669 [kJ/kg]. [4] vậy: Theo công thức (4.8) ta có: k) Tính thời gian nung (4.9) Trong đó: Focx : tiêu chuẩn Fo chính xác, Focx = 51,5. St : chiều dày thấm nhiệt của phôi nhôm, St = 0,12 [m]. a : hệ số dẫn nhiệt độ, a = 0,2959 [m2/h]. Nhận xét Khi thì và ta có: Như vậy, độ chênh nhiệt độ giữa tâm và bề mặt của rulô cáp nhôm là không lớn: Dt < [Dt] (2,45 [0C] < 7,5 [0C]) Do vậy ta không cần thực hiện giai đoạn đồng nhiệt cho cáp nhôm nữa. Với thời gian nung đã tính được (tn = 2,506 [h]) ta sẽ tính cân bằng nhiệt và xác định công suất điện của lò. Chương 5 Tính toán cân bằng nhiệt và xác định công suất điện của lò. 5.1. tính toán cân bằng nhiệt của lò Việc tính toán cân bằng nhiệt của lò nhằm mục đích xác định tổng lượng nhiệt mà lò cần cung cấp trong một đơn vị thời gian. Từ lượng nhiệt cần thiết này ta sẽ xác định được công suất điện cần cung cấp cho lò Pđiện [kW]. Giá trị của công suất điện Pđiện là cơ sở để tính toán dây điện trở cho lò và đưa ra các biện pháp khống chế, điều chỉnh chế độ nhiệt cũng như chế độ điện của lò cho hợp lí. Nội dung của việc tính toán cân bằng nhiệt của lò là xác định các khoản nhiệt cần chi phí cho lò, bao gồm: - Lượng nhiệt cần cấp cho vật gia công nhiệt (trong đồ án này là lượng nhiệt cấp cho dây cáp nhôm). - Lượng nhiệt cần cấp cho các thiết bị phụ ( lượng nhiệt cấp cho thép làm lõi rulô). - Lượng nhiệt cần cấp cho không khí tuần hoàn trong lò. - Lượng nhiệt tổn thất do tích nhiệt trong tường lò, đáy lò và nóc lò. - Lượng nhiệt tổn thất do dẫn nhiệt qua tường lò, đáy lò và nóc lò. 5.1.1. Lượng nhiệt để nung dây cáp nhôm (Q1) , [W] (5.1) Trong đó: 0,28 : hệ số chuyển đổi đơn vị từ [kJ/h] sang [W]. P : công suất của lò, với: GAl : tổng khối lượng của dây cáp nhôm trong 1 mẻ nung. GAl = 3088 [kg/mẻ]. [chương 3]. tn : thời gian của một mẻ nung, tn = 2,506 [h/mẻ].[chương 4] : entanpi của nhôm ứng với nhiệt độ trung bình của nhôm ở cuối giai đoạn nung (). = = 170,889 [kJ/kg]. [4] : entanpi của nhôm ứng với nhiệt độ trung bình của nhôm ở đầu giai đoạn nung (). = = 18,669 [kJ/kg] [4] Theo công thức (5.1) ta có: Q1 = 0,28. 1232.(170,889 - 18,669) = 52 509,811 [W]. Q1 = 52 509,811 [W] 5.1.2. Lượng nhiệt để nung thép làm lõi các rulô (Q2) (4.16) Trong đó: 0,28 : hệ số chuyển đổi đơn vị từ [kJ/h] sang [W]. Gthép : tổng khối lượng thép làm lõi các rulô. với: : khối lượng thép làm lõi một rulô, = 67,77 [kg] (chương 3) N : tổng số rulô được xếp trong lò ứng với 1 mẻ nung, N = 23 [rulô]. Gthép = 67,77.23 = 1558,7 [kg]. : Nhiệt dung riêng trung bình của thép. = 0,569[kJ/kg.K]. [5] : nhiệt độ của lõi rulô ở cuối giai đoạn nung, = 180 [0C]. : nhiệt độ của lõi rulô ở đầu giai đoạn nung, = 20 [0C]. tn : thời gian của một mẻ nung, tn = 2,506 [h]. Theo công thức (5.2) ta có: Q2= 15 855,200 [W] 5.1.3. Lượng nhiệt để nung không khí (Q3) Khi nung, lò được coi là hoàn toàn kín nên lượng không khí (Gkk) được quạt gió tạo đối lưu tuần hoàn ở trong lò là không đổi trong suốt quá trình nung. Lượng không khí này được nung nóng từ 20 [0C] () đến nhiệt độ làm việc của lò là 250 [0C] (). Theo yêu cầu công nghệ, lượng không khí này phải đạt 250 [0C] sau 0,5 [h] (tkk). Do vậy, lượng nhiệt để nung không khí được xác định: (5.3) Trong đó: 0,28 : hệ số chuyển đổi đơn vị từ [kJ/h] sang [W]. Gkk : khối lượng không khí được tuần hoàn ở trong lò. Gkk = Vkk . rkk , [kg]. với: Vkk : thể tích của không khí trong lò sau khi đã xếp liệu.