KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Số 08/2022 Mghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy hòa trộn nhiên liệu ứng dụng công nghệ siêu âm • TS LÊ ĐÀNG KHÁNH; TS TRẦN THẾ NAM;TS NGUYỄN TUẤN ANH Trường Đại học Hàng hải Việt Nam T[.]
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Số 08/2022 Mghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy hịa trộn nhiên liệu ứng dụng cơng nghệ siêu âm • TS LÊ ĐÀNG KHÁNH; TS TRẦN THẾ NAM;TS NGUYỄN TUẤN ANH Trường Đại học Hàng hải Việt Nam TĨM TẮT: Máy hịa trộn siêu âm thiết bị dùng để hòa trộn hỗn hợp chất lỏng - chất lỏng, chất lỏng - chất rắn hiệu Q trình hịa trộn siêu âm q trình học để giảm kích thước hạt phân bố chất hỗn hợp chất lỏng Trong máy hịa trộn siêu âm, đầu rung đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm khả công nghệ Đầu rung thiết kế tùy thuộc vào ứng dụng Mỗi máy hịa trộn trang bị nhiều đầu rung khác tùy theo mẫu hòa trộn khác Đầu rung chế tạo từ hợp kim titan có đặc tính kỹ thuật tốt Tuy nhiên, giá thành hợp kim titan cao so với vật liệu khác thép, nhôm Bài báo trình bày nghiên cứu chế tạo thử nghiệm đầu rung hợp kim nhơm cho máy hịa trộn ứng dụng công nghệ siêu âm thay cho đầu rung hợp kim titan góm áp điện, giúp chuyển đổi dao động điện thành dao động tần số Biên độ dao động đầu chuyển đổi khuyếch đại qua khuyếch đại (booster) truyền đến đầu rung (horn) Dao động với tần số siêu âm đầu rung truyền tới chất lỏng cần hòa trộn Dưới tác dụng dao động siêu âm thành phần chất lỏng, chất rắn hỗn hợp cần hòa trộn chia nhỏ, hòa trộn, khuếch tán vào Đầu rung chi tiết tiếp xúc trực tiếp truyền dao động học từ máy hòa trộn siêu âm vào dung dịch cần hòa trộn Tùy thuộc vào ứng dụng mà đầu rung chế tạo theo kích thước hình dạng khác Hình 1.2 Đầu rung vật liệu tiêu hao, thường thay sau khoảng tháng đến năm hoạt động Vật liệu chế tạo đầu rung thường hợp kim titan TỪ KHĨA: Máy hịa trộn siêu âm, đầu rung, hợp kim nhôm, nhiên liệu hỗn hợp ABSTRACT: Ultrasonic homogenizers are powerful tools to mix and homogenize solid-liquid and liquid liquid suspensions Ultrasonic homogenization is a mechanical process to reduce particles in a liquid so that they become uniformly small and evenly distributed In The ultrasonic homogenizers, homogenizing tool called a sonotrode/horn, is very important part which directly affect to mixing or homogenization quality The horn is designed depending on certain application A homogenize can be equipted with a several horns for many case of working The ideal material for manufacturing horn is titanium alloy However, Titanium alloy is more expensive than iron or aluminium alloy This paper will present a study on developing the aluminium alloy horn for ultrasonic homogenizers which can be an option for replacing the titanium alloy horn Hình 1.1: Ngun lý hịa trộn siêu âm [2] KEYWORDS: Ultrasonic mixer, horn, aluminium alloy, mixed fuel 1.ĐẶTVẤNĐỂ Nguyên lý hịa trộn siêu âm thể Hình 1.1 Nguồn phát siêu âm nhận nguồn điện xoay chiểu 220 V/50 Hz biến chúng thành dao động điện tẩn số siêu âm (20, 30, 40 kHz) Dao động truyền tới chuyển đổi CHẾTẠOĐẨU RUNG 2.1 Thiết kế đầu rung Đẩu rung siêu âm có chức khuếch đại biên độ dao động sóng học Ngồi ra, đẩu rung cịn truyền lượng học từ chuyển đổi đến khuếch đại 153 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 08/2022 đến hỗn hợp chất lỏng Đấu rung co giãn dọc theo trục với tẩn số dao động tự nhiên Do đó, đầu rung, khuếch đại, chuyển đổi cần phải cộng hưởng với Vì thế, đầu rung, khuếch đại chuyển đổi cần phải thiết kế phù hợp nhằm giảm hư hỏng cho nguổn phát siêu âm Đầu rung có tẩn số dao động tự nhiên tùy thuộc vào chiểu dài tính theo cơng thức sóng (1): Trong đó: Ă- Bước sóng; / - Chiểu dài đầu rung; c - Vận tốc truyền sóng; fn-Tần số dao động tự nhiên; £ p - Môđun đàn hồi khối lượng riêng vật liệu làm đầu rung tương ứng Tỉ số biên độ lớn biên độ nhỏ Hình 2.2: Phân bốdao động theo phương dọc trục đầu rung tồn diện tích làm việc mức độ đồng đểu biên độ dao động bể mặt làm việc đẩu rung tính theo cơng thức (2) =(u_,_/u ).100 (2) Trong đó: u„ u - Biên độ lớn nhất, nhỏ bể mặt làm việc đẩu rung Hình 2.3: Phân bố úng suất theo phương dọc trục đầu rung 24 , _ Tở _ I 130.7 ỉ Hình 2.1: Biên dạng đẩu rung thiết kế'[2] Kích thước xác đầu rung ln cần tính tốn cẩn thận Kích thước đầu rung bội số nửa bước sóng.Trong nghiên cứu này, đẩu rung dạng bước, Hình 2.1 thiết kế chế tạo sử dụng hợp kim nhôm A7075 với thông số công nghệ như: tẩn số làm việc 20 kHz, biên độ dao động 65 pm, hệ số khuếch đại 2,5 diện tích làm việc hình trịn bán kính 30 mm Biên độ dao động dọc trục đầu rung phần mểm CARD (Computer Aided Resonator Design) mơ Hình 2.2 Dao động dọc trục đẩu rung bao gồm dao động nén dao động dãn Trong kết mô phỏng, chọn điểm số làm gốc, điểm gốc lắp ghép chi tiết, dao động tồn đẩu rung biểu diễn Hình 2.2 Ở đây, biên độ điểm lớn 65 pm, trục tung biểu diễn tỉ số biên độ dao động dọc trục điểm đầu rung với biên độ lớn Hình 2.3 kết mô CARD ứng suất dọc trục đầu rung, ứng suất khe giới hạn (Estimated slot stress) ứng suất bo tròn giới hạn (Estimated radius stress) xác định liệu đầu vào vật liệu, kích thước đầu rung, tần số làm việc ứng suất dọc trục đẩu rung phải nhỏ ứng suất tới hạn để tránh tượng nứt, phá hủy đẩu rung làm việc Trong Hình 2.3, ứng suất dọc trục, đặc biệt vị trí có khe hở có thay đổi tiết diện, thỏa mãn điểu 154 Trong phần mềm CARD, tần số đầu rung điểu chỉnh cách điểu chỉnh thông số cộng hưởng như: chiểu dài, chiểu dày đường kính vị trí bán kính chuyển tiếp Ngồi ra, CARD tự động điều chỉnh tăng giảm thiểu ứng suất Dựa vào thơng số đầu vào, phần mềm CARD tính toán theo mặt cắt ngang dọc trục dao động để đưa kích thước chiểu dài đấu rung phù hợp với tần số cộng hưởng hệ 2.2 Gia công chế tạo Thông thường, đấu rung chế tạo từ vật liệu tiêu chuẩn hợp kim titan Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả chọn hợp kim nhơm A7O75 với đặc tính Bảng 2.1 Bảng 2.2 [4], Bảng 2.1 Thành phẩn hóa học nhõm A7075 Thính phin hoa học' Chemical composition -7075 Aluminium Nhốnv Aluminium (Al) 87.1-91.4% Crim / Chromium (Cr> 0.18-0.28% Đồng/Copper (Cu) Sã/lron(Fe) 1.2-2.0% 0.5 max Magiê / Magnesium (Mg) 2.1-2,9% Mangan / Manganese (Mn) 0.8% max Silk:/Sicon (Si) 0.4 max KSmiZric(Zn) 5.1 -6.1% max Titan/ Titanium (Ti) 0.2 max Bảng 2.2 Đặc tính lý nhõm A7075 7075 Aluminium.' Physical ano Mechanical property Coly tlnh Minimum Properties Gk> han Kéo ’ URjmale Tensrie Sữengỉh ps 83 000 Độ nén ỉ Yietó Strength, pá 73.000 Oộ cứng BnneV Bnne« Hardness ( H8) 150 Độ cứng Rocwel / Roewet Hardness ( HRC) B87 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 08/2022 °'101 khởi động từ K có điện, lõi từcủa khởi động từ di chuyển Trọng lương nẻng; specific Gravity (kgím3) to tạo thành mạch kín Khi ta bng tay, tiếp điểm nút On Nhiệt® nàng cháy/Mettmg Pont (Deg F) 900 mở, lõi từ khởi động từ lúc đóng vai trị làm kín Modun keo đànhồi I Modulus of Elasticity Tension '0-4 Mò đun xoAn dàn hồi/Modulus of Elasticity Torsion 38 mạch, dòng điện qua lõi từ tới Timer Mạch điện kín M»f ® thí tfchf Density (b/cu in.) mạch, máy hoạt động, đén báo hoạt động sáng lên Sau khoảng thời gian định trước (thời gian hoạt động mạch), Timer chuyển mạch tiếp điểm thường đóng 8-5 mở ra, tiếp điểm thường mở 8-6 đóng ifffffftf lại Dịng điện lúc cấp cho Timer thông qua tiếp điểm 8-6 Timer 1, đoạn từ Timer tới khởi động từ mạch hở, khởi động từ K điện, Hình 2.4: Đẩu rung sau gia công Các kết mô CARD cho thấy đầu rung hợp kim nhôm 7075 hồn tồn thay đầu rung hợp kim titan [2] hẩu hết ứng dụng.Từ kết tính tốn, mơ lựa chọn vật liệu, phôi tiến hành phay, mài mạ để thu đầu rung Hình 2.4 2.3 Thiết kế gia cơng mạch điều khiển q trình hịa trộn Trong thực tế khơng phải tất máy hịa trộn siêu âm đểu trang bị điểu khiển định thời, đặc biệt máy hòa trộn siêu âm dạng cầm tay Các máy siêu âm dạng cầm tay dược lắp đặt nút ấn dạng On-Off để điều khiển, điều gây khó khăn q trình làm việc khơng phải hỗn hợp có thời gian hòa trộn cường độ hòa trộn Cùng với đó, máy hịa trộn khơng thể hoạt động liên tục lâu nóng lên đầu rung q trình làm việc Ví dụ, với hỗn hợp dấu nước, thời gian hòa trộn ngắn, -10 giây thu sản phẩm mong muốn Nhưng với hỗn hợp có độ nhớt cao thời gian hịa trộn phải kéo dài nhiều loại cần hòa trộn nhiều lần thu kết mong muốn Chính lý này, nhóm tác giả định tìm hiểu chế tạo mạch điểu khiển theo thời gian có lõi từ từ trở vị trí ban đẩu, mạch ngưng hoạt động thời gian định sẵn ỞTimer Sau tới thời gian định sẵn, Timer chuyển mạch tiếp điểm 8-5 mở ra, tiếp điểm 8-6 đóng lại cấp nguồn cho cho khởi động từ, lỗi từ lại di chuyển để đóng kín mạch cấp nguồn cho Timer Mạch liên tục hoạt động ta nhấn nút Off gặp cố dừng lại Các trường hợp cố xảy tải, ngắn mạch Khi tải, dịng điện tăng đột biến, cầu chì lúc tự chảy uốn cong để tách khỏi mạch điện để bảo vệ mạch Khi ngắn mạch, dòng điện tăng cao, phiến kim loại kép rơ-le nhiệt giãn nở vể phía kim loại có độ giãn nở thấp hơn, nhờ ngắt mạch cấp điện cho đèn báo cố làm sáng lên, mạch ngừng hoạt động Bảng điều khiển thực tế thí nghiệm lắp đăt Hình 2.6 khả đóng mở ln phiên thơng qua rơ-le thời gian, từ điểu khiển hoạt động máy, từ cài thời gian chạy nghỉ luân phiên thích hợp với loại hỗn hợp khác Đên băo boat đơng Hình 2.6: Bảng điểu khiển hịa trộn KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 2.5: Mạch điều khiển hòa trộn Nguyên lý hoạt động mạch điểu khiển hịa trộn mơ tả Hình 2.5 Khi ta nhấn nút On bảng điểu khiển, tiếp điểm thường mở nút On đóng lại, mạch kín 3.1 Tiến hành thí nghiệm Các dụng cụ, máy móc hóa chất thí nghiệm tổng hợp Bảng 3.1 Trong thí nghiệm này, tiến hành hịa trộn thử nghiệm máy hòa trộn thực tế so sánh kết hòa trộn hỗn hợp chất lỏng máy hòa trộn siêu âm với phương pháp khuấy trộn truyền thống Trong thí nghiệm, nhóm tác giả dùng mẫu hỗn hợp chất lỏng để tiến hành hịa trộn, kết thử nghiệm tóm tắt Bảng 3.2 Bảng 3.3 Sau gia công, đầu rung lắp đặt thử nghiệm máy hòa trộn Cịng ty Mecstech Vina, hình Bảng 3.1 155 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 08/2022 Bảng 3.1 Danh mục máy móc, dụng cụ hóa chất Tên dụng cụ Hình ảnh Các mẫu hịa trộn dụng cụ hòa trộn tay thời gian 10 phút (600 giây) Các mẫu hòa trộn sử dụng siêu âm hòa trộn thời gian 20 giây (mẫu 01) 25 giây (mẫu 02) Máy hòa trộn siêu âm 3.2 Đánh giá kết Từ kết khuấy trộn mẫu thử nghiệm dễ dàng thấy rằng, đánh giá mắt thường, hiệu hòa trộn máy siêu âm vượt trội nhiểu so với hòa trộn phương pháp thủ công thời gian lẫn độ hòa tan Sau hòa trộn từ 15 - 20 phút mẫu hịa trộn phương pháp thủ cơng bị tách pha trở lại, mẫu hòa trộn máy siêu âm không bị tách pha sau 15 ngày tượng tách pha bắt đầu xuất hiện.Trên mẫu thử khác có độ nhớt khác hịa trộn siêu âm, kết thực nghiệm cho thấy chất lượng hòa trộn phụ thuộc vào độ nhớt lượng dung dịch cần hòa trộn Thời gian hòa trộn tăng độ nhớt dung dịch lượng dung dịch cần hòa trộn tăng Đũa khuấy Dầu diesel KẾT LUẬN 4.1 Kết đạt Bước đầu nghiên cứu để tài nhóm đạt được: -Tổng hợp lý thuyết vể nguyên lý hoạt động máy Dầu thực vật hòa trộn siêu âm phận máy, ứng dụng, Ưu điểm công nghệ khuấy trộn sử dụng sóng siêu âm -Thiết kế lắp ráp mạch điểu khiển q trình hịa trộn giúp chủ động điểu khiển tối ưu khuấy trộn nhiều mẫu Sữa cam Sữa tắm Bâng 3,2, Mầu số01: Hỗn hợp ơầu ơiesel - ơđu thục vạt Mầu Thành Hồn hợp Hỗn hợp phàn ban đau khuấy tay Hỗn họp Khuây bàng míy Bảng 3.3 Máu số02: Hỗn họp sữa cam - sữa tắm ■ dầu diesel hòa trộn khác - Nhóm tác giả dùng phần mềm CARD để thiết kế đầu rung hợp kim nhôm A7075 cho máy hòa trộn siêu âm tần số 20 kHz Đầu rung gia công tiến hành thử nghiệm khuấy trộn số mẫu hỗn hợp dung dịch Kết bước đầu cho thấy rằng, hòa trộn siêu âm vượt trội so với hịa trộn thủ cơng vể thời gian chất lượng dung dịch thu 4.2 Triển vọng hướng phát triển - Về mặt kỹ thuật đẩu rung chế tạo từ titan ln có chât lượng tốt nhắt, độ bên chống ăn mòn cao hơn.Tuy nhiên, thực tế sản xuất, yêu cầu hầu hết hỗn hợp đẩu rung không cao, nên đấu rung hợp kim nhơm hồn tồn đáp ứng thay Mặt khác, chi tiết đầu rung máy hòa trộn làm việc với cường độ cao nên cần thay định kỳ từ tháng đến năm dù có chế tạo hợp kim titan Vậy nên để tài mở hướng mới, theo giảm chi phí sản xuất, bảo dưỡng thay máy hòa trộn, đồng thời nâng cao tỉ lệ nội địa hóa sản phẩm sản xuất máy hòa trộn siêu âm - Từ nghiên cứu tiến hành xây dựng ứng dụng khác khuấy trộn siêu âm, như: chế tạo máy hòa trộn dung dịch, chế tạo hòa trộn nhiên liệu online cho động diesel sử dụng nhiên liệu hỗn hợp, chế tạo máy trích ly chất cơng nghệ siêu âm cho phịng thí nghiệm Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Để tài mã số DT21 -22.14 156 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Só 08/2022 Tài liệu tham khảo [1], Trấn Thế Nam, Lê Đăng Khánh (2021), Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm đầu rung hợp kim nhôm cho máy khuấy siêu âm, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ hàng hải, số đặc biệt, tr.91 -93 [2], Khiếu HữuTriển, Lê Đăng Khánh, Phạm DuyThuyến (2018), Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm khuôn hàn thép cho máy hàn nhựa nhiệt dẻo bàng công nghệ siêu âm, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ hàng hải, số 55, tr.31-36 [3], Abramov (1998), High Intensity Ultrasonics Theory and Industial Applications, Gordon and Breach Science Puplishers [4], Cịng ty TNHH Thép H&D, Đặc tính nhơm 7075, www.hdsteel.com.vn [5] SONOTRONIC Ultrasonic Technology, Sonication of Biosolids, http://www.sonotronic.de/technologies/ ultrasonic/sonication-of-bio-solids [6], Hielscher Ultrasound Technology, Ultrasonics: Applications and Processes, https://www.hielscher.com/ technolo.htm Ngày nhận bài: 19/6/2022 Ngày chấp nhận đăng: 12/7/2022 Người phản biện: PGS TS Phạm Tâm Thành TS Ngô Gia Việt 157 ... nghiên cứu tiến hành xây dựng ứng dụng khác khuấy trộn siêu âm, như: chế tạo máy hòa trộn dung dịch, chế tạo hòa trộn nhiên liệu online cho động diesel sử dụng nhiên liệu hỗn hợp, chế tạo máy trích... thí nghiệm Các dụng cụ, máy móc hóa chất thí nghiệm tổng hợp Bảng 3.1 Trong thí nghiệm này, tiến hành hòa trộn thử nghiệm máy hòa trộn thực tế so sánh kết hòa trộn hỗn hợp chất lỏng máy hòa trộn. .. nguyên lý hoạt động máy Dầu thực vật hòa trộn siêu âm phận máy, ứng dụng, Ưu điểm công nghệ khuấy trộn sử dụng sóng siêu âm -Thiết kế lắp ráp mạch điểu khiển q trình hịa trộn giúp chủ động điểu