Công nghiệp rừng 95TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 3 2015 ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG RIÊNG CỦA MÁY TRỘN HẠT GỖ NHỰA LEISTRITZ Hoàng Việt TS Trường Đại h[.]
Cơng nghiệp rừng ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ ĐẾN CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG RIÊNG CỦA MÁY TRỘN HẠT GỖ NHỰA LEISTRITZ Hoàng Việt TS Trường Đại học Lâm nghiệp TĨM TẮT Nghiên cứu cơng nghệ, kỹ thuật sản xuất vật liệu gỗ nhựa nước ta quan tâm Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu xác định ảnh hưởng số thông số công nghệ chế độ trộn tạo hạt gỗ nhựa đến chi phí lượng riêng thiết bị thông dụng máy trộn Leistritz Kết nghiên cứu thực nghiệm xác định phương trình tốn học biểu thị ảnh hưởng ba thông số công nghệ chế độ trộn nhiệt độ trộn T, thời gian trộn t, tốc độ quay trục vít trộn n tới chi phí lượng riêng Ar Từ phân tích lý thuyết tổng hợp kết thực nghiệm xác lập đề xuất thông số chế độ trộn hợp lý tạo hạt gỗ nhựa từ nguyên liệu bột gỗ cao su hạt nhựa Polypropylen 348 (PP348) máy trộn Leistritz: T = 169,80C; t = 9,9 ph; n = 50,3 v/ph Khi đảm bảo mục tiêu tối giảm chi phí lượng riêng đáp ứng yêu cầu cao độ đồng sản phẩm trộn Kết áp dụng vào thực tế cho thiết bị trộn có tính cơng nghệ tương đồng với máy trộn Leistritz, góp phần nâng cao hiệu sản xuất Từ khóa: Chế độ trộn, gỗ nhựa, lượng riêng, nhiệt độ trộn, thời gian trộn, thực nghiệm I ĐẶT VẤN ĐỀ Nghiên cứu tạo vật liệu từ loại gỗ rừng trồng mọc nhanh quan tâm giới, đặc biệt Việt Nam nước ta hướng phù hợp, yêu cầu lớn đặt từ thực tế sản xuất, từ mục tiêu chiến lược nghiệp Cơng nghiệp hố, đại hố đất nước Ở lĩnh vực gỗ nhựa việc nghiên cứu công nghệ, nghiên cứu xác định đặc tính vật liệu, thơng số chế độ gia công tạo sản phẩm chất lượng cao có vai trị định đến phát triển hồn thiện q trình cơng nghệ tạo vật liệu gỗ phức hợp; sở cho định hướng sử dụng hiệu cao tài nguyên rừng bước chủ động nguồn nguyên liệu nước Thực tế, nước ta nghiên cứu tối ưu hóa q trình sản xuất gỗ nhựa cịn nhiều hạn chế, sở sản xuất vận hành thiết bị chủ yếu theo kinh nghiệm, nên sức cạnh tranh sản phẩm hiệu kinh tế không cao Giải vấn đề dung lượng lớn cần thực nội dung theo qui hoạch động trình sản xuất Nghiên cứu thực điều kiện sản xuất cụ thể (công nghệ thiết bị hữu) với mục tiêu xác định tương quan định lượng ảnh hưởng số thông số công nghệ thuộc chế độ trộn hạt gỗ nhựa đến chi phí lượng riêng máy trộn Leistritz, sở đề xuất chế độ trộn hợp lý đảm bảo góp phần nâng cao hiệu kinh tế cho sản xuất II NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nội dung, đối tượng nguyên vật liệu nghiên cứu Để đạt mục đích đề ra, nội dung nghiên cứu thực hiên gồm: Tổng hợp sở lý luận chế trộn vật liệu rời, phân tích yếu tố ảnh hưởng đến chi phí lượng riêng máy trộn độ trộn vật liệu; Nghiên cứu thực nghiệm, xác lập mối tương quan thông số công nghệ (nhiệt độ trộn, thời gian trộn, tốc độ quay trục vít trộn) đến chi phí lượng riêng máy trộn, từ sở xác định thơng số công nghệ tối ưu đảm bảo tối giảm chi phí TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 3-2015 95 Công nghiệp rừng lượng riêng độ trộn cao vật liệu - Nguyên liệu: Bột gỗ từ gỗ cao su có đường kính hạt gỗ nhỏ (d ≤ 0.5mm), độ ẩm – 5%; Hạt nhựa Polypropylen 348 (PP348); Chất trợ tương hợp Polypropylen ghép Anhydrid Maleic (PP-g-AM) - Thiết bị: Máy trộn hạt gỗ nhựa Leistritz (CHLB Đức), thiết bị sử dụng nhiều nước - Các thông số điều khiển: Các thơng số điều khiển thơng cơng nghê q trình trộn gồm nhiệt độ trộn T, thời gian trộn t tốc độ quay trục vít trộn n - Hàm mục tiêu: Chi phí lượng riêng Ar - thơng số đặc trưng cho tiêu kinh tế - kỹ thuật trình trộn 2.2 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp kế thừa: Sử dụng sở lý thuyết trình trộn vật liệu rời, kết nghiên cứu vật liệu composite gỗ - nhựa giới nước phục vụ giải nội dung thực nghiệm, nhận xét đánh giá kết - Phương pháp thực nghiệm: + Nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố với mục tiêu xác định ảnh hưởng riêng thông số điều khiển đến hàm mục tiêu, qua xác định khoảng biến thiên khoảng nghiên cứu thích hợp cho thơng số làm sở cho thực nghiệm đa yếu tố + Thực nghiệm đa yếu tố nghiên cứu lựa chọn quy hoạch thực nghiệm phương pháp kế hoạch hóa trung tâm hợp thành trực giao với yếu tố đầy đủ Xử lý số liệu thí nghiệm xác định tương quan tốn học 96 phần mềm Excel chương trình xử lý số liệu đa yếu tố máy vi tính - Dụng cụ đo: Đo cơng suất tiêu thụ điện thiết bị mã hiệu Fluke sản xuất Mỹ; Đồng hồ bấm giây; Nhiệt kế hiển thị số; Thiết bị đo tốc độ quay DT-2236 (Lutron) sản xuất Đài Loan; Cân trọng lượng sai số ± 0,5g - Xác định chi phí lượng riêng: Chi phí lượng riêng lượng công suất tiêu thụ đơn vị trọng lượng sản phẩm trộn khoảng thời gian tính theo cơng thức: Ar N t q (1) Trong đó, Ar - chi phí lượng riêng, (Wh/kg); N - cơng suất trộn, (W); q - lượng sản phẩm trộn được, (kg); t - thời gian trộn, phút III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết thực nghiệm đơn yếu tố a Ảnh hưởng nhiệt độ trộn T đến chí phí lượng riêng Ar Thí nghiệm dược tiến hành với trình tự thay đổi nhiệt độ buồng trộn mức: 160, 165, 170, 175, 180 0C; thời gian trộn t = phút; số vòng quay trục vít n = 50 v/ph Từ kết thí nghiệm xử lý số liệu phần mềm ứng dụng nhận kết sau: - Mơ hình hồi qui: Ar 31371.812 334.227T 0.991T (2) - Đồ thị tương quan chi phí lượng riêng nhiệt độ trộn xây dựng hình TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 3-2015 Chi phí lượng riêng Ar ,Wh/kg Cơng nghiệp rừng Nhiệt độ trộn T, C Hình Đồ thị tương quan chi phí lượng riêng Ar nhiệt độ trộn T Thí nghiệm tiến hành với trình tự thay đổi nhiệt độ buồng trộn mức: 4, 6, 8, 10, 12 ph; nhiệt độ trộn giữ 170 0C; số vòng quay trục vít n = 50 v/ph Từ kết thí nghiệm xử lý số liệu phần mềm ứng dụng nhận kết sau: - Mơ hình hồi qui: Ar 232.156 253.063t 4.274t (3) - Đồ thị tương quan chi phí lượng riêng thời gian trộn xây dựng hình Chi phí lượng riêng Ar ,Wh/kg Thơng qua số liệu kiểm tra, vào phương trình tương quan đồ thị biểu diễn mối quan hệ nhiệt độ trộn với chi phí lượng riêng (hình 1) cho thấy: Tương quan nhiệt độ trộn với chi phí lượng riêng máy trộn theo quy luật phi tuyến Chi phí lượng riêng giảm mạnh nhiệt trộn T tăng từ 160 – 170 0C, khoảng nhiệt độ từ 170 – 174 0C chi phí lượng riêng giảm chậm tăng nhiệt độ trộn tăng lên 175 0C b Ảnh hưởng thời gian trộn t đến chí phí lượng riêng Ar Thời gian trộn t, ph Hình Đồ thị tương quan chi phí lượng riêng Ar thời gian trộn t TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 3-2015 97 Cơng nghiệp rừng Từ kết thực nghiệm cho thấy chi phí lượng riêng máy trộn tăng tỷ lệ với thời gian trộn quy luật tương quan khoảng nghiên cứu phi tuyến c Ảnh hưởng tốc độ quay trục vít trộn n đến chí phí lượng riêng Ar Ar 1619.597 22.102n 0.389n (4) - Đồ thị tương quan chi phí lượng riêng tốc độ quay trục vít trộn xây dựng hình Thơng qua số liệu kiểm tra, vào phương trình tương quan đồ thị biểu diễn mối quan hệ nhiệt độ trộn với chi phí lượng riêng (hình 3), cho thấy chi phí lượng riêng máy trộn tăng tỷ lệ với tốc độ quay trục vít trộn quy luật tương quan khoảng nghiên cứu phi tuyến Chi phí lượng riêng Ar ,Wh/kg Thí nghiệm dược tiến hành với trình tư thay đổi tốc độ quay trục vít trộn mức: 40, 45, 50, 55, 60 v/ph; nhiệt độ trộn giữ 170 0C; thời gian trộn ph Từ kết thí nghiệm xử lý số liệu phần mềm ứng dụng nhận kết sau: - Mơ hình hồi qui: Tốc độ quay trục vít trộn n, v/ph Hình Đồ thị tương quan chi phí lượng riêng Ar tốc độ quay trục vít trộn n Nhận xét chung: Các thông số công nghệ chế độ trộn nhiệt độ trộn, thời gian trộn vận tốc quay trục vít trộn có ảnh độ trộn, chi phí lượng riêng máy trộn từ 700 – 2200 Wh/kg 3.2 Kết thực nghiệm đa yếu tố hưởng lớn tới chi phí lượng riêng máy Qua số liệu thực nghiệm đồ thị hình 1, 2, 3, ta nhận thấy chi phí lượng riêng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ trộn khoảng T tăng từ 160 – 174 0C, nhiệt độ trộn tăng từ 175 0C chi phí lượng riêng lại tăng tỷ lệ với nhiệt độ trộn Chi phí lượng riêng tăng tỷ lệ thuận với chiều tăng thời gian trộn tốc độ quay trục vít trộn, nhiên quy luật phi tuyến Trong khoảng nghiên cứu thông số chế 98 Kết thực nghiệm đơn yếu tố cho thấy ảnh hưởng thông số: T, t n vào hàm mục tiêu A r phi tuyến, theo không tiến hành quy hoạch thực nghiệm bậc mà thực quy hoạch thực nghiệm bậc hai theo phương án trung tâm hợp thành trực giao Vùng nghiên cứu, mức thí nghiệm giá trị mã hố thơng số đầu vào (thơng số điều khiển) lựa chọn có tính đến u cầu độ đồng sản phẩm trộn giới thiệu bảng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 3-2015 Công nghiệp rừng Bảng Giá trị mã hóa thực nghiệm thơng số đầu vào Thông số Ký hiệu Nhiệt độ trôn Tốc độ trục vít Thời gian trơn X1 X2 X3 Đơn vi C v/phút phút Thí nghiệm tiến hành theo ma trận trung tâm hợp thành trực giao thông số Sử dụng phần mềm qui hoạch thực nghiệm ta tính -1 160 40 Mức 170 50 +1 180 60 12 Khoảng biến thiên 10 10 hệ số phương trình dạng mã hàm chi phí lượng riêng: Ar 112112.071 1275.347 X 3.804 X 12 591.501X 0.681 X X 32.712 X 22 243.404 X 0.374 X X 0.113 X X 3.135 X 32 Sau thực phép kiểm tra tính đồng phương sai, kiểm tra mức ý nghĩa hệ số mơ hình tốn, kiểm tra tính tương thích mơ hình, kiểm tra khả làm việc mơ hình cho thấy: phương sai thí nghiệm đồng nhất, mơ hình (4) tương thích hữu ích sử dụng Chuyển phương trình hồi qui dạng thực Để chuyển phương trình (4) dạng thực ta (5) thay giá trị X1; X2; X3 biến T; n; t, theo công thức sau: Xi xi xio xi (6) Ở đây: xi - giá trị thực biến Xi; xio - giá trị thực biến Xi mức “ ”; xi - số gia (khoảng biến thiên) biến Xi Sau tính tốn nhận phương hồi qui dạng thực hàm chi phí lượng riêng: Ar 1229.830 92.131T 0.038T 90.727 n 0.007 nT 0.372 n 57.575t 5.085tT 0.03tn 196t 3.3 Đề xuất thông số công nghệ chế độ trộn hợp lý Chế độ trộn hợp lý chế độ với thông số T, n t xác định tương ứng để hàm mục tiêu (7) đạt cực tiểu điều kiện: - Độ trộn sản phẩm đáp ứng yêu cầu sản xuất H = f(T,n,t) ≥ 90 %; - Các điều kiện biên: 160 0C ≤ T ≤ 180 0C; 40 v/ph ≤ n ≤ 60 v/ph; ph ≤ t ≤ 12 ph; - Khối lượng thể tích sản phẩm đáp ứng: (7) chi phí lượng riêng nhỏ Ar = 1610,4 (Wh/kg) nhiệt độ trộn T = 169,8 (0C), thời gian trộn t = 9,9 (phút) tốc độ trục vít n = 50,3(v/ph) Kết khảo nghiệm máy theo thơng số cơng nghệ chế độ trộn tìm cho thấy sai số chi phí lượng riêng so với tốn tìm cực trị khơng q 5% Như vậy, thông số công nghệ chế độ trộn hạt gỗ nhựa máy Leistritz nêu hợp lý IV KẾT LUẬN γ = 0,86 – 0,98 g/cm Bài toán giải theo phương pháp khảo sát cực trị hàm nhiều biến Kết nhận - Từ nghiên cứu sở khoa học công nghệ tạo gỗ nhựa, chế trộn vật liệu rời phân tích tổng hợp thơng số cơng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 3-2015 99 Công nghiệp rừng nghệ chế độ trộn tác động tương hỗ chúng trình trộn tạo hạt gỗ nhựa nhiệt độ trộn T, thời gian trộn t tốc độ quay trục vít máy trộn n - Bằng nghiên cứu thực nghiệm xây dựng công thức thực nghiệm xác định ảnh hưởng thông số chế trộn lựa chọn nghiên cứu đến tiêu đặc trưng quan trọng kinh tế - kỹ thuật chi phí lượng riêng cho thiết bị trộn – công thức (2), (3) (4) Những kết sở quan trọng phục vụ giải tốn tối ưu hố xác định thơng số tối ưu cho trình trộn đảm bảo nâng cao hiệu sản xuất - Đã xác lập đề xuất thông số công nghệ chế độ trộn hợp lý tạo hạt gỗ nhựa từ nguyên liệu bột gỗ cao su hạt nhựa Polypropylen 348 (PP348) máy trộn Leistritz, đảm bảo mục tiêu tối giảm chi phí lượng riêng đáp ứng yêu cầu cao độ đồng sản phẩm trộn Kết áp dụng vào thực tế cho thiết bị trộn có tính công nghệ tương đồng với máy trộn Leistritz V TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Văn Lang, Bạch Quốc Khang (1998), Cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm ứng dụng kỹ thuật nông nghiệp, Nxb Nông nghiệp, Hà Nội Phạm Ngọc Lân (2006), Vật liệu Polymer phân hủy sinh học, Nxb Bách Khoa, Hà Nội Hồng Việt (2012), Nghiên cứu tối ưu hóa q trình phay bào gỗ, Báo cáo kết đề tài khoa học, Trường đại học Lâm nghiệp, HN Anatole Klyosov (2005), Wood plastic composites, Wiley – interscience, A John Wiley & Sons, INC, Publication Gi Young Jeong (2005), Fracture Behavior of Wood Plastic Composite (WPC), Chonnam National University, August THE INFLUENCE OF SOME TECHNOLOGICAL PARAMETERS TO SPECIFIC ENERGY COST OF WOOD PLASTIC COMPOSITE MIXER LEISTRITZ Hoang Viet SUMMARY Technology research, engineering manufacturing wood plastic composite (WPC) materials in our country is very interesting This article introduces the research results of a study to determine the influence of some technological parameters of mixing regime make WPC to specific energy cost on the common equipment are mixer Leistritz Empirical research results have identified the mathematical equations indicate the influence of three basic technological parameters of mixing regime are mixing temperature T, mixing time t, speed rotary mixing screw n to specific energy cost Ar From theoretical analysis and synthesis experimental results has established and recommendations a set of parameters reasonable mixing regime make WPC from raw materials rubber wood pulp and Polypropylen 348 (PP348) on mixer Leistritz: T = 169,80C; t = 9.9 Min; n = 50.3 RPM While ensuring minimum target specific energy costs and meet the high demands on the homogeneity of the product This result may also be applied in reality for equipment, these’re have technology features homologous to mixer Leistritz, contribute to improving the production efficiency Keywords: Experimentanlize, mixing regime, mixing temperature, mixing time, specific energy, WPC Người phản biện Ngày nhận Ngày phản biện Ngày định đăng 100 : PGS.TS Vũ Huy Đại : 19/5/2015 : 10/6/2015 : 15/9/2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 3-2015 ... nghiệm máy theo thông số công nghệ chế độ trộn tìm cho thấy sai số chi phí lượng riêng so với tốn tìm cực trị không 5% Như vậy, thông số công nghệ chế độ trộn hạt gỗ nhựa máy Leistritz nêu hợp... tốc độ quay trục vít trộn n Nhận xét chung: Các thông số công nghệ chế độ trộn nhiệt độ trộn, thời gian trộn vận tốc quay trục vít trộn có ảnh độ trộn, chi phí lượng riêng máy trộn từ 700 – 2200... 174 0C chi phí lượng riêng giảm chậm tăng nhiệt độ trộn tăng lên 175 0C b Ảnh hưởng thời gian trộn t đến chí phí lượng riêng Ar Thời gian trộn t, ph Hình Đồ thị tương quan chi phí lượng riêng