Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị sản xuất đá vảy công suất 20T/24 giờ cho sản xuất bê tông dự lạnh trên cơ sở sử dụng máy nén kỹ thuật số

bộ công thương viện máy và dụng cụ công nghiệp Báo cáo tổng kết đề tài m∙ số: 193.08 rd/hđ-khcn Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị sản xuất đá vảy công suất 2

bộ công thương viện máy và dụng cụ công nghiệp

Báo cáo tổng kết đề tài m∙ số: 193.08 rd/hđ-khcn

Tên đề tài:

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị sản

xuất đá vảy công suất 20/24h cho sản xuất bê tông dự

lạnh trên cơ sở sử dụng máy nén kỹ thuật số

danh sách những người thực hiện đề tài

mục lục

Lời nói đầu 2

Phần i: Thiết bị và công nghệ trong sản xuất bê tông dự lạnh 3

Phần ii: Khảo sát, nghiên cứu, xây dựng cấu hình thiết bị phù hợp 6 2.1 Các trạm bê tông dự lạnh sử dụng đá vảy đang hoạt động trong nước 6

2.2 Khảo sát các máy sản xuất đá vảy của các hãng nước ngoài 7

2.2.1 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của các thiết bị sản xuất đá vảy 7

2.2.2 Máy sản xuất đá vảy của hãng NorthStar - Mỹ 8

2.2.3 Máy sản xuất đá vảy của hãng Buus - Đan mạch 10

2.3 So sánh, đánh giá và xây dựng cấu hình phù hợp với điều kiện Việt nam 11

Phần iii: tính toán thiết kế 12

3.1 Tính toán thiết kế và chọn thiết bị lạnh 12

3.1.1 Các thông số và đặc tính kỹ thuật yêu cầu .13

3.1.2 Tính toán thiết kế các thông số công nghệ 13

3.1.3 Tính toán và chọn thiết bị công nghệ 21

3.2 Tính toán thiết kế và chọn thiết bị cơ 30

3.2.1 Tính công suất quay trục dao cắt đá 30

3.2.2 Tính toán bộ truyền đai 31

3.2.3 Tính toán trục mang dao 33

3.2.4 Tính toán và chọn ổ lăn 38

3.2.5 Tính toán bộ truyền bánh răng côn xoắn 40

3.2.6 Bản vẽ thiết kế kỹ thuật và chi tiết 44

3.3 Tính toán thiết kế và chọn thiết bị điện điều khiển 44

3.3.1 Các tín hiệu đầu vào của hệ thống điều khiển 44

3.3.2 Các tín hiệu đầu ra của hệ thống điều khiển 44

3.3.3 Các chức năng điều khiển, bảo vệ chính 45

3.3.4 Một số chu trình điều khiển vận hành chính 45

3.3.5 Bản vẽ thiết kế hệ thống điện động lực và điều khiển 46

Phần iv: chế tạo thử nghiệm & hoàn thiện quy trình công nghệ 47

4.1 Chế tạo thử nghiệm .47

4.2 Quy trình công nghệ chế tạo chi tiết điển hình 47

4.3 Quy trình công nghệ lắp ráp sản phẩm 48

Phần v: kết luận và kiến nghị 49

Tài liệu THAM khảo 50

phụ lục 52

lời nói đầu

Xây dựng đập nước cho các công trình thuỷ điện, thuỷ lợi là khâu chiếm nhiều thời gian và có tính quyết định tới độ bền lâu, tính vĩnh cửu của công trình Ngày nay, nhằm giảm thời gian xây dựng, đồng thời tăng chất lượng và sự đồng đều, ổn

định của thân đập, ngành xây dựng thuỷ công đã triển khai áp dụng công nghệ tiên tiến: đổ khối lớn, với thể tích mỗi khối lên tới hàng ngàn mét khối, kích thước khối

bê tông theo mỗi chiều lên tới từ hàng chục tới hàng trăm mét

Để đảm bảo khối bê tông lớn không bị phá huỷ hoặc biến dạng quá mức cho phép do ứng suất nhiệt gây bởi nhiệt thuỷ hoá xi măng và truyền thoát nhiệt chậm của khối bê tông lớn trong quá trình đông kết và chênh lệch nhiệt độ môi trường với khối bê tông giữa ngày và đêm, theo các mùa thi công khác nhau, bên cạnh hàng loạt biện pháp, công nghệ, thiết bị hỗ trợ bảo ôn, thoát nhiệt quá trình đông kết sau

đổ khuôn, hoặc thiết kế cấp phối hợp lý (giảm lượng xi măng, dùng xi măng có nhiệt thuỷ hoá thấp, dùng đá cấp phối cỡ lớn ), thiết kế thi công hợp lý (tính toán lớp đổ, khối đổ, thời gian đổ tối ưu ), sử dụng công nghệ bê tông đầm lăn (Roller Compacted Concrete) thay cho bê tông thường , một trong những giải pháp quan trọng nhất chính là dự lạnh bê tông tới nhiệt độ cần thiết, đủ để bù tới 70% trở lên nhiệt sinh bởi thuỷ hoá xi măng, góp phần quyết định đảm bảo độ chênh nhiệt độ giữa các vùng trong khối bê tông ∆T không quá 20 0C, mô đun độ chênh nhiệt độ giữa các điểm trong khối bê tông MT không quá 50 0C/m (theo TCXDVN 305-2004

về quy phạm thi công và nghiệm thu bê tông khối lớn) Để đảm bảo dự lạnh hàng

chục ngàn mét khối hỗn hợp bê tông cho mỗi đợt đổ liên tục trong một ca sản xuất, các nhà thầu xây dựng phải trang bị những hệ thống thiết bị sản xuất bê tông dự lạnh

tự động với khối lượng hàng chục tấn, tiêu thụ hàng ngàn kWh điện, chi phí sản xuất thậm chí cao hơn vài lần so với bê tông thường

Trên cơ sở các phân tích vừa nêu, rõ ràng việc sử dụng các thiết bị tự động sản xuất bê tông dự lạnh với năng suất lớn (từ 120 m3/h, công suất lạnh từ 1 triệu kcal/h trở lên), trong thi công các đập lớn là điều kiện bắt buộc cho mọi nhà thầu xây dựng công trình

Phần i: Thiết bị và công nghệ trong sản xuất bê tông dự lạnh

Công nghệ sản xuất bê tông dự lạnh trên thế giới đã có lịch sử phát triển hàng nửa thế kỷ, gắn liền với sự ra đời của hàng loạt công trình thuỷ công, thuỷ điện cỡ lớn: từ những công trình trên sông Mississipi (Bắc Mỹ), Amazon (Nam Mỹ), tới các

đập thuỷ điện trên sông Nil (châu Phi), cho tới gần đây nhất là đại công trình thuỷ

điện Tam Hiệp (Trường Giang, Trung Quốc), với tổng công suất tới hàng chục ngàn megawatt Để đáp ứng được những yêu cầu ngày càng lớn và phức tạp của sản xuất

bê tông lạnh: điều kiện môi trường khắc nghiệt, quy mô sản xuất nâng cao, chủng loại, cấp phối, vật liệu sản xuất cũng như công nghệ đổ bê tông thay đổi, người ta đã nghiên cứu và đưa vào thực tiễn sản xuất nhiều phương pháp, thiết bị và công nghệ làm lạnh bê tông

Về tổng thể, một thiết bị sản xuất bê tông lạnh bao gồm thiết bị trộn bê tông tự

động được tích hợp hệ thống làm lạnh bê tông Có nhiều cấu hình thiết bị sản xuất

bê tông lạnh, nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ quan trọng của sản phẩm: nhiệt độ vữa bê tông đo sau khi trộn, hoặc đo tại vị trí đổ Trên thực tế, tuỳ theo yêu cầu cụ thể của nhiệt độ bê tông lạnh, khả năng đầu tư của cơ sở sản xuất, người ta có thể thiết kế, tích hợp và xây dựng các hệ thống thiết bị lạnh chỉ dùng đá vảy, chỉ dùng nước lạnh, hoặc thậm chí chỉ làm lạnh cốt liệu thô trên silô hay trên băng tải Khái quát, hệ thống làm lạnh bê tông tích hợp vừa nêu có thể được phân loại như sau:

- Theo thiết bị:

• Theo chất làm lạnh (coolants): thiết bị dùng nước lạnh, không khí lạnh, nitơ lỏng, đá khô (CO2 rắn), đá vảy (nước kết tinh dạng vảy dày 1-3 mm), đá mảnh, đá viên

• Theo đối tượng làm lạnh: làm lạnh vật liệu thành phần (đá, nước, cát ) trước khi trộn, làm lạnh hỗn hợp vữa bê tông trong hoặc sau quá trình trộn

• Theo quá trình chuyển vận của chất làm lạnh: hệ thống tuần hoàn (kín) hay không tuần hoàn (hở) hay hỗn hợp

• Theo cấu trúc hệ thống: mô đun lạnh chế tạo sẵn (ready-made) với các hệ thống sản xuất bê tông lạnh tiêu chuẩn, hoặc được xây dựng (customized) theo bài toán cụ thể, đặc thù nào đó của khách hàng

- Theo yêu cầu sản phẩm:

• Theo dạng và công nghệ bê tông làm đập nước: dùng cho bê tông đầm rung thường (Conventional Vibrated Concrete - CVC), dùng cho bê tông đầm lăn (Rolling Compacted Concrete - RCC) hoặc cả hai Trên thực tế, trạm dùng cho sản xuất bê tông đầm lăn luôn có thể phù hợp cho sản xuất bê tông thường

• Theo nhiệt độ bê tông lạnh yêu cầu: bê tông lạnh sâu (dưới 15 0C), lạnh vừa (16-22 0C) và lạnh nông (22-25 0C), nhằm đáp ứng công nghệ vận chuyển hỗn hợp bê tông tới khối đổ (xe, băng tải ), cũng như các điều kiện thời tiết: bình thường (nhiệt độ môi trường trung bình 20-30 0C), khắc nghiệt (nhiệt độ môi trường trung bình 31-35 0C) hoặc cực kỳ khắc nghiệt (nhiệt độ môi trường trung bình trên 35 0C)

Trên thực tế, tuỳ theo yêu cầu độ lạnh hoặc dạng bê tông, người ta có thể ứng dụng đơn lẻ hay phối hợp một vài loại chất làm lạnh, tác động riêng rẽ hay đồng thời lên các đối tượng khác nhau: vật liệu thành phần hay hỗn hợp hay cả hai Việc sử dụng thiết bị có sẵn cho phép giảm thời gian và giá thành đầu tư ban đầu, nhưng thường không hoàn toàn tối ưu, dẫn tới tăng chi phí khai thác, nhất là tăng suất chi phí năng lượng và ảnh hưởng môi trường nhiều hơn

Vai trò quan trọng nhất trong công nghệ làm lạnh vật liệu xây dựng dạng rời, bê tông vữa, là chất làm lạnh Các yêu cầu đối với chất làm lạnh, chất trực tiếp tiếp xúc

và tải lạnh cho vật liệu cần làm lạnh, khá là đa dạng và chặt chẽ: các tính chất nhiệt cao (nhiệt dung, ẩn nhiệt chuyển pha, độ dẫn nhiệt ), tính công nghệ cao (sạch, không tác động xấu tới môi trường và chất được làm lạnh, dễ tách khỏi chất được làm lạnh), kinh tế (rẻ, hiệu suất trao đổi nhiệt cao) Cho tới nay, các chất làm lạnh chủ yếu được nghiên cứu và đưa vào sử dụng rộng rãi là nước và không khí, trong đó nước có thể ở dạng nước lạnh và đá vảy, để làm lạnh vật liệu xây dựng, vữa bê tông Với các chất làm lạnh này, thường có khả năng sử dụng quá trình tuần hoàn, giảm

được chi phí năng lượng và nguyên liệu

Một chất làm lạnh mới là nitơ lỏng, đã được đưa vào thử nghiệm trong Các hệ thống lạnh dùng cho làm lạnh bê tông đòi hỏi công suất lớn hàng triệu kilocalorie mỗi giờ trở lên, làm việc liên tục trong những điều kiện khắc nghiệt về môi trường Cho tới nay đã có những hướng xây dựng thiết bị như sau:

• Sử dụng trực tiếp các hệ thống lạnh sẵn có trên thị trường máy lạnh dùng cho chế biến sản xuất hải sản, thực phẩm, hoá chất, dược phẩm Các hệ thống làm lạnh

bê tông theo kiểu tích hợp đơn giản này thường có hiệu suất khá thấp (trên dưới

50%), độ bền và ổn định không cao, do vậy người ta không chế tạo ở các công suất lớn: chỉ ở các trạm không quá 80 m3/h, độ lạnh nông, chỉ làm lạnh đơn Trên thi trường có rất nhiều hãng cung cấp thiết bị tiêu chuẩn, như Grasso (Italia), Carrier (USA), Daikin (Nhật Bản), Fusheng (Taiwan)

• Nghiên cứu xây dựng những hệ thống thiết bị chuyên dụng cho làm lạnh bê tông Theo hướng sau, người ta đã có thể cung cấp những hệ thống lạnh có hiệu suất nhiệt cao hơn nhiều, là mối quan tâm số một của người khai thác Việc tăng chi phí đầu tư cho những hệ như vậy còn được bù lại nhờ những lợi thế khác nữa: độ bền và ổn định cao trong môi trường xây dựng luôn rất khắc nghiệt, sự phù hợp với công nghệ bê tông tạo cho thuận lợi nhiều mặt cho người dùng Ta có thể kể

ra những công ty hàng đầu thế giới đã đi theo hướng này: HANSA Industrieanlagen GmbH, KTI Plersch Kaltertechnik GmbH (CHLB Đức) Đây là hướng thiết bị có chất lượng và tuổi bền cao nhất, nhưng giá thành cũng cao gấp nhiều lần so với hướng ban đầu

• Ngoài hai hướng như đã nêu, tại các vùng đang phát triển như châu á, Nam Mỹ người ta thường xây dựng thiết bị tích hợp hệ thống trên cơ sở chọn lựa một

số thiết bị lạnh chuyên dùng làm lạnh bê tông với các thiết bị phụ trợ được thiết

kế chế tạo tại chỗ, nhằm có được những ưu điểm về chất lượng thiết bị chính,

đồng thời giảm chi phí đầu tư ban đầu Chỗ dựa về thiết bị và một phần công nghệ làm lạnh bê tông cho các cơ sở phát triển là khá nhiều hãng sản xuất thiết

bị lạnh công nghiệp có mặt khắp nơi như North Star Ice (USA), Scotsman (Italia), Snowkey (China), ReFriend (China), Trung tâm Nghiên cứu Thiết bị và Công nghệ Bê tông Thượng Hải (China) chuyên về thiết bị chế tạo đá vảy, thiết

bị làm lạnh nước hoặc không khí (chiller)

• Trong hệ thống làm lạnh vật liệu xây dựng như vữa bê tông, bên cạnh thiết bị cung cấp chất làm lạnh (chiller, máy đá vảy, ), nhóm các thiết bị trao đổi nhiệt (làm lạnh đá trước khi trộn bê tông), thiết bị phụ trợ (vận chuyển, dự trữ, cân

định lượng nước lạnh hoặc đá vảy, ) có vai trò quyết định tới hiệu suất nhiệt chung của hệ thống Do vậy, đây chính là mảng đầu tư nghiên cứu phát triển khá mạnh của các hãng chế tạo thiết bị lạnh cho công nghiệp bê tông, nhằm tạo ra các thiết bị chất lượng, hiệu suất cao

Phần ii: Khảo sát, nghiên cứu, xây dựng cấu hình thiết bị phù hợp

2.1 Các trạm bê tông dự lạnh sử dụng đá vảy đang hoạt động trong nước

2.1.1 Các hệ thống sản xuất bê tông dự lạnh công suất trung bình 250 m3/h của Phân viện IMI tại thành phố Hồ Chí Minh kết hợp với North Star Ice thiết kế chế tạo năm 2007-2008, hiện đang đi vào hoạt động tại các công trường thuỷ điện Sông Tranh 2 và Đồng Nai 3

2.1.2 Hệ thống sản xuất bê tông dự lạnh công suất trung bình 250 m3/h của Liên danh Liebherr-Hansa (CHLB Đức) thiết kế chế tạo và cung cấp lắp đặt tại công trình thuỷ điện Sê San 3 năm 2004, hiện đang hoạt động tại công trình thuỷ điện Bản Vẽ

được Hansa tổ hợp thành các mô đun hoàn chỉnh cho sản xuất đá vảy (CFPX), sản xuất nước lạnh (CWPS)

2.1.3 Hệ thống sản xuất bê tông dự lạnh công suất lớn 720 m3/h của Liên danh Liebherr-Hansa (CHLB Đức) thiết kế chế tạo và cung cấp lắp đặt tại công trình thuỷ

điện Sơn la năm 2007:

• Dạng bê tông dự lạnh: RCC và CVC

• Nhiệt độ dự lạnh: ≤ 180C

• Phương pháp và thiết bị dự lạnh: làm lạnh cốt liệu thô trên phễu liệu phối hợp

đồng thời làm lạnh hỗn hợp bê tông bằng cấp phối nước lạnh 40C, có đá vảy nhiệt

độ -50C dùng cho dự phòng

• Nguồn lạnh: Hệ thống các chiller của hãng Grasso (GEA), tổng công suất lạnh

1000 m3 nước lạnh 40C mỗi giờ, thiết bị sản xuất đá vảy của hãng Scotsman (cắt

đá kiểu dao quay) công suất 40 tấn đá vảy mỗi ngày đêm các thiết bị lạnh này

được Hansa tổ hợp thành các mô đun hoàn chỉnh cho sản xuất nước lạnh (CWPS), sản xuất đá vảy (CFPX)

2.2 Khảo sát các hệ thống thiết bị sản xuất đá vảy của các hãng nước ngoài

2.2.1 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của các thiết bị sản xuất đá vảy

1./ Đá vảy (tiếng Anh: flake ice): là tên một dạng đá băng được tạo ra trên thiết

bị sản xuất đá vảy Được kết tinh từ nước ngọt hoặc nước biển, đá vảy có kích thước dạng bản nhỏ (vảy), chiều dày vào khoảng 1,5 tới 2,5 mm, chiều dài và rộng trong khoảng 10 đến 50 mm, nhiệt độ trong khoảng -5 đến -100C Đá vảy được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, thuỷ sản, xây dựng…Do nhiệt nóng chảy lớn, lại khá mỏng, tan chảy nhanh, nên đá vảy ngày càng được ưa dùng để sản xuất bê tông dự lạnh, nhằm thay thế một phần cấp phối nước trộn bê tông mà không ảnh hưởng tới thời gian sản xuất và tính chất hỗn hợp bê tông 2./ Cấu tạo chung của một thiết bị sản xuất đá vảy: cũng như mọi thiết bị lạnh khác, gồm hai cụm chính: cụm máy nén-ngưng tụ (cao áp) và cụm tạo đá vảy (hạ

áp) Cụm cao áp bao gồm các thiết bị chính như các máy nén lạnh, thường là loại có dải nhiệt độ làm việc thấp (từ -200C trở xuống), hệ số nén cao, dàn ngưng, các bình chứa dịch lạnh, thiết bị mạch dầu (tách, sấy, làm mát…) Cụm hạ áp bao gồm thiết

bị bay hơi-tạo/tách đá, bình hạ áp, hệ thống cấp dịch/tách lỏng (như bơm, bình tràn dịch-tách lỏng…) Ngoài ra, là các thiết bị phụ như các van điều khiển, công tác, thiết bị đo lường (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức dịch/dầu ), panen/tủ điều khiển 3./ Đặc điểm nguyên lý hoạt động của thiết bị sản xuất đá vảy:

- Chu trình lạnh: luôn là dạng ngập lỏng, nhằm đạt hiệu suất lạnh cao, nhiệt độ sản phẩm đồng đều và đủ thấp

- Quá trình tạo đá vảy: liên tục (khác với một số dạng sản xuất đá cây, đá viên, đá tấm/ống mảnh… là theo chu kỳ)

- Nguyên lý tạo/tách đá trên thiết bị bay hơi (hình 1): dịch lạnh lỏng được cấp và bay hơi ở áp suất đủ thấp, tương ứng nhiệt độ bay hơi khoảng -280C đến -320C, theo nguyên lý ngập lỏng tại thiết bị bay hơi dạng tang trống trụ (từ đây gọi là cối đá vảy,

có thể cấu tạo đứng hoặc nằm) Nước được phun liên tục chảy trên mặt ngoài (hoặc mặt trong) cối trong vùng cấp nước, được làm lạnh và kết tinh rất nhanh sau một thời gian vài chục giây thành một lớp đá băng mỏng Lớp đá băng này được làm khô

và quá lạnh tới nhiệt độ -5 đến -10C trong “góc quá lạnh đá”, sau đó được dao cắt tách ra khỏi bề mặt cối Để đảm bảo đá thu được không bị “ướt”, bị tăng nhiệt độ, ngay phía sau vị trí cắt tách đá là một vùng cách ly, không được cấp nước Để đảm bảo đá đươc sản xuất ra liên tục, có nhiệt độ và độ dày theo yêu cầu, cần duy trì một tốc độ chuyển động tương đối giữa mặt trống tạo đá với cụm phun cấp nước và dao thu hoạch đá, đồng thời cho phép hiệu chỉnh tốc độ đó, cũng như độ rộng các vùng cấp nước, góc quá lạnh, góc cách ly, lưu lượng nước cấp và sự phân bổ lưu lượng đó trên toàn mặt tang trống tạo đá vảy Đá được tách ra khỏi bề mặt cối có chiều dày 1,5-2,5mm tuỳ theo thời gian làm đá (tức tốc độ chuyển động dao/cối), dạng mảnh nhỏ, được chuyển tới nơi tiêu thụ hoặc kho trữ chuyên dụng nhờ vít tải, máng hứng…

Tang trống tạo đá

(cối đá) cố định

Vị trí dao cắt đá

Chiều chuyển độngcủa dao, dàn phuncấp nước

Hình 1 Mô tả nguyên lý tạo đá vảy

2.2.2 Máy sản xuất đá vảy của hãng NorthStar - Mỹ

NorthStar là một hãng chuyên sản xuất các thiết bị sản xuất, tồn trữ và cung cấp

đá vảy hàng đầu của Mỹ và thế giới Hãng cung cấp các thiết bị hoàn chỉnh (cả cụm cao áp và cụm hạ áp) hoặc chỉ riêng phần hạ áp (cối đá vảy), với dải công suất từ 5 MT/24h tới 60 MT/24h, cho phép sử dụng với R22 hoặc amoniac, nước công nghiệp hoặc nước biển Những đặc điểm chính của cối đá vảy NorthStar là cối cố định, dao

và dàn phun cấp nước chuyển động, kết cấu dao cắt tách đá dạng răng có bước

25-30mm chuyển động cùng tốc độ quay của dàn phun cấp nước Cho phép cấp dịch

bằng cưỡng bức hoặc sử dụng bình tràn dịch

Ký hiệu, model máy (kèm bình tràn

Hình 2 Cối đá vảy NorthStar

2.2.3 Máy sản xuất đá vảy của hãng Buus - Đan mạch

Máy đá vảy do BUUS (SABROE) sản xuất có nhiều dạng Với series máy V,

từ 5 MT/24h tới 70 MT/24h, máy có kết cấu đứng (đơn hoặc kép), tang trống tạo đá

quay, cụm dao cắt tách đá và dàn cấp nước tĩnh Mặt tang trống được phủ hợp kim

nhôm chịu ăn mòn, truyền dẫn nhiệt bề mặt tốt

Hình 3 Cối đá vảy BUUS (SABROE)

2.3 So sánh, đánh giá và xây dựng cấu hình phù hợp với điều kiện Việt nam

ưu điểm của máy sản xuất đá vảy có kiểu cắt đá dao quay là công suất cắt nhỏ, kích thước nhỏ gọn, kết cấu quay cắt đá đơn giản, phần chuyển động cắt đá không

có ảnh hưởng đến môi chất lạnh, toàn bộ máy đá được bao kín và bảo ôn bởi dòng chuyển động của môi chất lạnh nên giữ được khí lạnh trong kho chứa không thoát ra ngoài

ưu điểm của máy sản xuất đá vảy có kiểu tang trống quay là không phải bảo ôn tang trống, cắt đá và tách đá theo phương tiếp tuyến ngoài nên sự bóc tách và thoát

đá được dễ dàng hơn, lực cắt tách đá cũng nhỏ hơn, dễ kiểm tra hiệu chỉnh hơn Nhược điểm của kiểu cắt đá tang trống quay là công suất lớn, kết cấu tang quay phức tạp do phải làm kín môi chất lạnh chuyển động cùng tang trống, vị trí xả đá ở phía ngoài nên khí lạnh trong kho có thể thoát ra ngoài theo đường xả đá vào kho Cũng như các thiết bị sản xuất đá vảy phục vụ thi công bê tông lạnh tại các công trường như đã nêu ở trên, theo khảo sát của chúng tôi, đa số các thiết bị sản xuất đá vảy khác trong ngành thủy sản trong cả nước đều sử dụng hệ thống thiết bị sản xuất đá vảy có kiểu cắt đá dao quay

Trên cơ sở phân tích máy mẫu và khảo sát các thiết bị đang được phục vụ tại các công trình xây dựng, nhà máy thủy sản trên phạm vi cả nước, nhóm đề tài lựa chọn mẫu thiết kế là máy sản xuất đá vảy của hãng NorthStar - Mỹ

Hệ thống thiết bị sản xuất đá vảy có các thông số cơ bản như sau:

- Năng suất làm đá vảy: 20 Tấn/24h

- Kiểu cắt đá: dao quay

- Nhiệt độ đá vảy: -7 ữ -5 0C

- Kích thước đá vảy: dày 1,5 ữ 2 mm, rộng và dài 10 ữ 50 mm

- Nhiệt độ nước sạch cấp: 6 ữ 8 0C

- Môi chất lạnh: R22

- Thiết bị tạo đá bao gồm: dàn bay hơi dạng tang trống trụ tĩnh (sau đây gọi

là cối tạo đá) và dao cắt tách đá, hệ thống phân phối nước quay

- Thiết bị ngưng tụ: làm mát bằng nước kết hợp với tháp giải nhiệt nước

- Thiết bị có khả năng nội địa hóa trong nước

- Thiết bị dạng tổ hợp cụm, đồng bộ và có khả năng vận chuyển

- Môi trường làm việc: Tmax trung bình 35 0C, độ ẩm max trung bình 80%

Phần iii: tính toán thiết kế

3.1 tính toán thiết kế và chọn thiết bị lạnh

LMTD Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit [K]

q Dòng nhiệt riêng, năng suất nhiệt riêng [J/kg, kJ/kg]

bh Bão hòa, trạng thái bão hòa (đang sôi hoặc đang ng−ng tụ)

comp Quá trình, thiết bị nén

3.1.1 Các thông số và đặc tính kỹ thuật yêu cầu

- Năng suất làm đá vảy: 20 Tấn/24h

- Thiết bị ngưng tụ: làm mát bằng nước kết hợp với tháp giải nhiệt nước

- Thiết bị có khả năng nội địa hóa trong nước

- Thiết bị dạng tổ hợp cụm, đồng bộ và có khả năng vận chuyển

- Môi trường làm việc: Tmax trung bình 35 oC, độ ẩm max trung bình 80%

3.1.2 Tính toán thiết kế các thông số công nghệ

1./ Thiết kế sơ đồ nguyên lý

Với các thông số và đặc tính kỹ thuật yêu cầu, nguyên lý làm việc của hệ thống sản xuất đá vảy sẽ được xây dựng trên cơ sở chu trình máy lạnh nén hơi trong đó máy nén được định hướng ban đầu là dạng máy nén trục vit bán kín hiện đại – có thể

điều khiển công suất bằng kỹ thuật số, làm việc ở chế độ economizer nhằm nâng cao

năng suất lạnh cũng như hiệu suất nhiệt, với sơ đồ được thể hiện ở Phụ lục 1

Các thiết bị chính của hệ thống sản xuất đá vảy:

* Tổ máy ngưng tụ (cụm cao áp)

- 01 máy nén;

- 01 bình ngưng kiểu ống vỏ làm mát bằng tháp giải nhiệt;

- 01 bình chứa cao áp

- Các mạch và thiết bị lạnh phụ trợ: mạch ECO cho cấp ga trung áp vào máy nén

và giảm nhiệt dịch lạnh trước khi vào bình hạ áp-cấp dịch cho cối; mạch dầu máy nén (bao gồm bình tách/sấy dầu khi khởi động, bộ làm mát dầu bằng nước

- 01 bộ phin sấy/ lọc và mắt ga cho đường cấp lỏng;

- 01 bộ phin lọc cho đường hơi hút về máy nén;

- Các đồng hồ áp suất ga cao áp, áp suất ga hạ áp và áp suất dầu;

- Các đồng hồ áp suất vào/ra bơm tuần hoàn nước lạnh;

- Đồng hồ (hoặc cảm biến) nhiệt độ ở khay chứa nước thu hồi;

- Các đồng hồ (hoặc cảm biến) nhiệt độ môi chất (R22) vào/ra máy nén;

- Các van chặn, van một chiều và phin sấy/ lọc cho đường cấp lỏng

Các thiết bị điều khiển chính:

- 03 van điện từ (loại kèm lọc) cho các đường cấp dịch lạnh vào cối đá vảy, hồi dầu

tự động từ bình tràn về, cấp dịch ECO vào máy nén

- 01 van phao cho duy trì mức lỏng bình tràn

- 01 van tiết lưu tự động cho đường ECO máy nén

- 01 van tay điều chỉnh lưu lượng dịch lạnh vào cối đá vảy

Các thiết bị bảo vệ:

- 01 van an toàn áp suất cho bình ngưng tụ;

- 01 rơle bảo vệ áp suất kép;

- 01 rơle kiểm tra van oil stop máy nén (tích hợp trên máy nén)

- 01 rơle kiểm tra lọc dầu đầu vào máy nén (tích hợp trên máy nén)

- 01 rơle kiểm tra lưu lượng dầu vào máy nén (tích hợp trên máy nén)

- 01 cảm biến và rơle báo mức dầu trên bình tách dầu (tích hợp trên bình tách dầu)

- 01 cảm biến nhiệt độ dầu trên bình tách dầu (tích hợp trên bình tách dầu)

- Cảm biến dòng chảy cho bơm tuần hoàn nước lạnh;

- Cảm biến dòng chảy cho bơm giải nhiệt bình ngưng tụ;

Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

Nước sạch có nhiệt độ từ 6 ữ 8

o

C được cấp vào khay chứa nước thu hồi Từ đây,

nước được bơm tuần hoàn bơm lên khay phân phối nước đặt ở phía trên của thiết bị

Khay phân phối nước có nhiệm vụ phân chia dòng nước bơm lên thành những màng nước chảy tự do trên bề mặt trong của cối Hệ thống lạnh sẽ duy trì dòng môi chất lạnh, ở đây là R22, sôi ở áp suất và nhiệt độ thấp trong dàn bay hơi của cối để hạ nhiệt độ và làm đóng băng màng nước đang chảy tự do trên mặt trong cối Lượng nước thừa chưa kịp đóng băng sẽ chảy xuống khay chứa nước thu hồi ở phía dưới và lại được bơm lên hệ thống phân phối nước, tiếp tục tham gia các vòng tuần hoàn –

đóng băng khác

Sau một khoảng thời gian nhất định (thời gian tạo đá), khi lớp đá băng được hình thành trên bề mặt của các tấm bay hơi đạt chiều dày 1,5 ữ 2 mm, cơ cấu tách

đá (dao tách đá) sẽ tách các lớp đá vừa tạo, làm chúng bong ra khỏi mặt cối và rơi xuống cửa thu đá rồi rơi vào kho trữ Quá trình tạo đá vảy-tách đá nói trên được thực hiện liên tục-liên tiếp trên toàn chu vi cối theo chu kỳ tạo đá đúng bằng thời gian quay một vòng của dao cắt tách đá

Máy nén hút hơi môi chất ra khỏi thiết bị bay hơi – tạo đá để giúp môi chất chuyển trạng thái từ lỏng sang hơi và quá trình lấy nhiệt, tạo đá trên mặt ngoài các tấm bay hơi được diễn ra ở áp suất và nhiệt độ thấp Khi đi qua máy nén, hơi môi chất nhận năng lượng (cơ năng cấp cho trục cơ máy nén) để đồng thời tăng áp suất

và nhiệt độ giúp quá trình thải toàn bộ nhiệt lượng lấy được từ thiết bị bay hơi ra môi trường xung quanh có thể xảy ra Hơi môi chất với nhiệt độ và áp suất cao sau

đó được đưa vào bình ngưng tụ Tại đây, toàn bộ nhiệt lượng nhận được trong quá trình bay hơi và cơ năng nhận được trong quá trình nén được thải ra môi trường xung quanh để biến hơi môi chất ở trạng thái quá nhiệt với áp suất cao thành lỏng bão hòa (cùng áp suất) Cuối cùng, lỏng môi chất ở trạng thái bão hòa, áp suất cao thực hiện quá trình giảm áp suất trong thiết bị tiết lưu (không trao đổi năng lượng)

để chuyển thành trạng thái bão hòa ẩm có nhiệt độ và áp suất thấp trước khi được

đưa vào thiết bị bay hơi – tạo đá, tiếp tục lấy nhiệt và hình thành lớp đá với chiều dày tăng dần trên bề mặt cối

2./ Chọn thông số, chế độ làm việc

Hình 4 thể hiện sơ đồ chu trình làm việc của hệ thống lạnh ở chế độ làm lạnh trên đồ thị Log(p) – i Các quá trình, 1a-2r xảy ra trong máy nén, 2r-3a trong thiết bị ngưng tụ, 3a-4 trong thiết bị tiết lưu và 4-1a trong thiết bị bay hơi

Trên cơ sở các thông số và đặc tính kỹ thuật yêu cầu, có thể chọn các thông số,

chế độ làm việc cho máy sản xuất đá vảy như sau:

a) Nhiệt độ, áp suất bay hơi

Với thiết bị bay hơi – tạo đá vảy kiểu cối tĩnh, nhiệt độ bay hơi có thể chọn theo kinh nghiệm là te = - 30 oC Nếu môi chất lạnh sử dụng là R22, áp suất bay hơi sẽ

được tính theo:

p e = p bh (t e ) = p bh (-30 0 C) = 1.635 [bar] (3.1) b) Nhiệt độ, áp suất ngưng tụ

Trong điều kiện môi trường không khí xung quanh có nhiệt độ 35 oC và độ ẩm tương đối 80 % như đã cho, nhiệt độ bão hòa đoạn nhiệt tương ứng là 32 oC Nếu sử dụng tháp giải nhiệt ở nhiệt độ bão hòa đoạn nhiệt như vậy, có thể chọn nhiệt độ nước vào/ ra tháp giải nhiệt tương ứng là 37/ 32 oC Với thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước, độ chênh giữa nhiệt độ ngưng tụ của môi chất lạnh (R22) và nhiệt độ nước làm mát khi ra khỏi thiết bị là từ 2.5 K đến 5 K [1] Chọn nhiệt độ ngưng tụ

tc = 40 oC, độ chênh nhiệt độ trung bình trong vùng chuyển pha của thiết bị ngưng tụ

được tính như sau:

t t

t t

3 8 ln

3 8 ln

min max

Do đặc điểm làm việc của máy sản xuất đá vảy là kiểu ngập dịch nhằm duy trì

được nhiệt độ ổn định và đồng đều trên bề mặt cối tạo đá, thiết bị bay hơi làm việc

với độ quá nhiệt hơi môi chất khi ra khỏi thiết bị, ∆t

qn,e, = t 1a -t 1, rất thấp và vào khoảng 1 K đến 2 K (gây ra chủ yếu bởi độ chênh áp dịch do chiều cao của cối, dẫn tới chênh nhiệt độ bay hơi Với chiều cao 1 mét, đối với R22, hiệu nhiệt độ lên tới 2,10C/m ở nhiệt độ bay hơi -300C )

Chọn ∆t

qn,e = 2 [K ], nhiệt độ môi chất khi ra khỏi thiết bị bay hơi sẽ được tính như

sau:

t 1’ = t e + ∆t qn,e = -30 + 2 = -28 [ o

C] (3.4)

Trong thực tế vận hành, thường không thể tránh khỏi nhiệt từ môi trường bên ngoài xâm nhập vào đoạn ống dẫn môi chất lạnh nối giữa đầu ra của thiết bị bay hơi, bình tràn (nếu cấp dịch theo phương pháp dùng cột lỏng) hoặc bình hạ áp (nếu cấp dịch bằng bơm tuần hoàn) và đầu hút máy nén Vì vậy, khi kể thêm ảnh hưởng của yếu tố này, độ quá nhiệt và nhiệt độ của hơi hút về máy nén tương ứng sẽ là:

t 1,a = t e + ∆t qn,comp = -30 +4 = -26 [ o C] (3.6) d) Độ quá lạnh và nhiệt độ môi chất khi ra khỏi thiết bị ngưng tụ

Để tăng năng suất lạnh cũng như COP của máy sản xuất đá vảy, môi chất khi ra khỏi thiết bị ngưng tụ, phải có độ quá lạnh, ∆t ql = t 3 -t 3a, vào khoảng 3 K đến 5 K (chưa tính đến độ quá lạnh tạo bởi mạch economizer, sẽ được xác định chính xác ở phần sau)

Chọn ∆t ql = 4 [K ], nhiệt độ môi chất khi ra khỏi thiết bị ngưng tụ sẽ là:

t 3a = t c + ∆t ql = 38 - 4 = 34 [ o C] (3.7) e) Hiệu suất Entropi (không thuận nghịch) và nhiệt độ cuối của quá trình nén

Quá trình nén trong máy nén không thể tránh khỏi hiện tượng ma sát giữa các phân tử môi chất lạnh với nhau và với bề mặt khoang nén Tổn thất năng lượng do hiện tượng ma sát này gây nên được đặc trưng bởi hiệu suất Entropi hay hiệu suất không thuận nghịch, xác định theo công thức sau:

a r

a s r a

s a s

i i

i i l

l

1 2

1 2 2 1

2 1

Với máy nén trục vít, hệ số nén Π = p c /p e = 15,335/1,778 = 8,62 như đã xác

định, hiệu suất Entropi của quá trình nén, ηs , vào khoảng 0.7 Tuy nhiên, do hệ thống sử dụng mạch ECO để cấp trung áp vào cửa ECO của máy nén, tương tự như

sử dụng hệ thống hai cấp nén, nên đã giảm hệ số nén đáng kể, Π ước còn khoảng

4-5, vì vậy hệ số ηs tăng lên khoảng 0.73 Do đó, entanpi của hơi môi chất sau quá trình nén được xác định:

73 0

) 65 695 18 753 ( 65 695 )

r

i i i

i

Nhiệt độ cuối quá trình nén thực được xác định dựa trên giá trị áp suất và Entanpi vừa tính, t2r = 104.2 [oC]

Ghi chú: các nội dung vừa tính toán sẽ được kiểm tra, hiệu chỉnh lại khi tính chọn máy nén, các thiết bị phụ như economizer, bình tách dầu, làm mát dầu ở phần sau

3./ Tính toán thời gian tạo / tách đá

Quá trình tạo đá trên bề mặt tấm bay hơi xảy ra trong chế độ không ổn định mà theo đó, chiều dày lớp đá được hình thành tăng dần theo thời gian Nhiệt trở truyền nhiệt từ môi chất lạnh (ở nhiệt độ bay hơi – 30 oC) đến màng nước được tưới trên bề mặt tấm bay hơi, khi đó sẽ tăng dần, tỉ lệ với chiều dày lớp đá được hình thành, làm cho tốc độ tạo đá giảm dần Ngoài ra, trong quá trình tạo đá, một lượng năng suất lạnh cũng sẽ bị tiêu tốn để làm quá lạnh lớp đá đến nhiệt độ yêu cầu cũng như làm giảm nhiệt độ của nước lạnh bổ sung đến điểm đóng băng

Đóng băng không ổn định của màng nước tưới trên một bề mặt được làm lạnh là một bài toán phức tạp có nghiệm phụ thuộc vào hàm của tích phân sai số Gauss nên việc tính toán thời gian tạo đá bằng giải tích một cách chính xác hầu như không thể thực hiện được Hiện nay, có 2 phương pháp để giải bài toán này là (1) giải gần đúng bằng phương pháp số (tức dùng phần mềm máy tính), và (2) đơn giản hóa bài toán

về dạng có thể giải được bằng giải tích thông qua việc chấp nhận một số giả thiết gần đúng Trong thiết kế này, phương pháp 2 được lựa chọn với những giả thiết cụ thể như sau:

- Coi phân bố nhiệt độ trong lớp băng là tuyến tính (hoàn toàn chấp nhận được vì chiều dày lớp băng nhỏ hơn 8 mm)

- Bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt từ môi chất lạnh tới bề mặt ngoài của tấm bay hơi, phía tiếp xúc với nước lạnh, coi nhiệt độ bề mặt ngoài của tấm bay hơi bằng nhiệt độ sôi của môi chất lạnh (- 30 oC)

- Coi nhiệt độ của màng nước tưới trên tấm bay hơi bằng nhiệt độ đóng băng Nói cách khác, bỏ qua nhiệt lượng làm lạnh nước bổ sung (chỉ) trong bài toán

truyền nhiệt Lưu ý, nhiệt lượng này vẫn được tính trong cân bằng nhiệt để xác

định năng suất lạnh của thiết bị bay hơi – tạo đá Giả thiết này hoàn toàn chấp

nhận được vì sau một số lượng nhiệt làm lạnh nước bổ sung này chỉ chiếm 8 % trong tổng số năng suất lạnh của giàn bay hơi

- Bỏ qua nhiệt lượng làm quá lạnh lớp đá đến nhiệt độ yêu cầu (chiếm 1.7 %

trong tổng số năng suất lạnh của giàn bay hơi) khi xét bài toán truyền nhiệt Về

lý thuyết, giả thiết gần đúng này sẽ dẫn đến một sai số không đáng kể vì hệ số

chuyển pha Ph=q r /C d (t o -t e )=333.6/(2.09*10)=16 là đủ lớn (Ph càng lớn càng

tốt và khi Ph > 6.2, sai số tính toán thời gian tạo đá sẽ không vượt quá 5%)

Với những giả thiết nêu trên, thời gian cần thiết để tạo thành lớp đá có chiều

dày trung bình δd mm và nhiệt độ T 0 trên bề mặt lạnh có nhiệt độ T e , với nhiệt độ

nước cấp ban đầu T i có thể ước tính theo công thức bán thực nghiệm sau đây:

0

2 2

1 10

4

T T T

e o

Trong đó, K là hệ số thực nghiệm, phụ thuộc vào vật liệu kết cấu thiết bị bay

hơi tạo đá, môi chất sử dụng, được chọn theo bảng sau:

1 10

4 0

10 2 05 , 1

2 2

Trong thực tế, thời gian tạo đá được hiệu chỉnh theo thiết kế và kinh nghiệm cụ

thể của từng đơn vị sản xuất, và thay đổi tới ±(10~20)% so với tính toán Nguyên

nhân là công thức nêu trên còn chưa bao gồm được khá nhiều yếu tố tác động tới

thời gian tạo đá, như thành phần nước cấp (nước biển, nước ngọt, hàm lượng muối

khoáng), phương pháp và thiết bị cấp dịch lạnh (cột áp hay bơm tuần hoàn, dãn nở

trực tiếp…), thiết kế cụ thể của thiết bị bay hơi/cối tạo đá (số đầu vào/ra môi chất

lạnh…)

4./ Tính toán cân bằng nhiệt

Trên cơ sở thông số, chế độ làm việc đã được chọn ở mục 1.2.2, sử dụng các

phần mềm Refrigeration Utilities version 2.84 (tham khảo EES version 6.22), có thể

xác định thông số của tất cả các điểm nút chu trình (hình 5, hình 6) như sau:

Bảng 1 – Thông số trạng thái các điểm nút chu trình máy sản xuất đá vảy

qo = Cn∆tqn + qr + Cd∆tqn = 4.19ì7 + 333.6 + 2.09ì6 = 375.5 [kJ/kg] (3.12) Năng suất lạnh Q& e của thiết bị bay hơi đ−ợc tính trên cơ sở năng suất làm đá

yêu cầu G d = 20000 kg/24h, nhiệt l−ợng cần thiết để sản xuất 1 kg đá thành phẩm

qo, thời gian tạo đá thực hiện đ−ợc trong 1 ngày đêm hoạt động Nc (min), hệ số sử dụng thiết bị k tb (lấy bằng 0,8) và đ−ợc tính nh− sau:

[kW ]

k N

q G Q

tb c

o d

8 0 60 24 60

5 375 20000

65

=

= &

& (3.14)

c) Năng suất giải nhiệt riêng và năng suất giải nhiệt thiết bị ng−ng tụ

Năng suất giải nhiệt riêng:

q c = i 2r – i 3a = 773.57 – 541.80 = 231.77 [kJ/kg] (3.15) Năng suất giải nhiệt:

Hình 5 Xác định chu trình lạnh trên phần mềm Refrigeration Utilities version 2.84 (Chọn gốc tham chiếu h’=500 kJ/kg, s’=1,0 kJ/kgK, T=0 0 C cho R22 lỏng bão hoà ) e) Chỉ số COP LT (chưa tính tới các tổn hao cơ, điện)

92 77

56

l

q COP (3.19)

3.1.3 Tính toán và chọn thiết bị công nghệ

1./ Thông số thiết bị bay hơi – tạo đá

Theo yêu cầu đặt ra là sản xuất đá vảy với năng suất, kích thước và điều kiện làm việc:

- Năng suất làm đá vảy: 20 Tấn/24h,

- Kích thước đá vảy: dày 1.5 ữ 2 mm, rộng & dài 10 ữ 50 mm,

- Nhiệt độ đá vảy: -7 ữ -5 oC,

- Nhiệt độ nước sạch cấp: 6 ữ 8 oC,

- Nhiệt độ sôi môi chất lạnh: - 30 oC,

- Entanpi môi chất lạnh đầu vào cối: 541.8 kJ/kg,

Hình 6 Tính toán tham khảo trên phần mềm EES ver 6.22

- Độ quá nhiệt sau bay hơi: 4 K,

Thiết bị bay hơi – cối tạo đá được lựa chọn là kiểu trụ, có mặt tạo đá là mặt trụ trong, trao đổi nhiệt trực tiếp, kết hợp với hệ thống phân phối nước

Về vật liệu chế tạo cối tạo đá, ngày nay người ta thường sử dụng 2 loại là thép cacbon chất lượng cao (high quality carbon steel) và thép không gỉ (stainless steel) Loại thứ nhất (thép cacbon) có giá thành thấp hơn loại thứ 2 (thép không gỉ), thích hợp với sản xuất đá vảy nước ngọt Ngược lại, loại thứ 2 lại cho hàng loạt các tính năng ưu việt khác như: có độ cứng cao, bền, chịu ăn mòn tốt, dùng cho sản xuất đá vảy dùng trực tiếp nước biển, phục vụ công nghiệp chế biến hải sản Ngoài ra, loại cối này còn phù hợp các ứng dụng có liên quan đến thực phẩm và y tế Nhược điểm của cối thép không gỉ là giá thành khá cao so với cối thép cacbon

Xác định diện tích bề mặt tạo đá theo công thức sau:

ρδ

τπ

H: chiều cao trụ tạo đá, m

N: năng suất tạo đá của thiết bị, kg/s

τ : thời gian tạo đá, s

δ : khối lượng riêng của đá vảy, kg/m3

ρ : chiều dày lớp đá vảy, m

Thay các giá trị cụ thể, ta được:

5 6 917

002 0

3 41 ) 8 0

* 3600

* 24 /(

-

Bao gồm cả hệ thống phân phối nước và cụm dao cắt đá

3 Vật liệu thiết bị bay

Kết cấu hai tầng để giảm chênh nhiệt độ bay hơi do chênh áp

7 Năng suất lạnh yêu cầu 108.65 kW Tính ở chế độ -300C

2./ Thông số máy nén lạnh – lựa chọn máy nén lạnh

- Môi chất lạnh: R22

- Kiểu máy nén: trục vít

- áp suất môi chất đầu hút: 1.635 bar

- Nhiệt độ bay hơi: -300C

- Độ quá nhiệt môi chất đầu hút: 4 K

- áp suất môi chất đầu đẩy: 14.6 bar

- Nhiệt độ ngưng tụ: 38 oC

- Năng suất lạnh:

- Lưu lượng môi chất nén: 0.712 kg/s (2562 kg/h)

- Công suất cấp cho quá trình nén: 55.5 kW (công suất điện cấp cho máy

nén sẽ lớn hơn vì phải kể đến hiệu suất cơ/điện, các tổn hao)

- Sử dụng máy ở chế độ economizer

Sử dụng phần mềm BITZER Software 5.1, ta tính chọn được 01 máy nén trục vít

nửa kín của hãng BITZER (CHLB Đức), model HSN 8571-125-40P, với các thông

Với cấu tạo đặc biệt, sử dụng cơ cấu con trượt để thay đổi lưu lượng khí đầu hút băng việc tăng giảm cửa hồi khí (bypass) đầu hút và đầu xả (hình 6), loại máy nén HSN 8571-125-40P cho phép điều khiển công suất nén theo hai kiểu:

- Kiểu điều khiển theo bậc: công suất nén bằng 25%, 50%, 75% và 100% công suất danh định

- Kiểu điều khiển vô cấp: công suất nén bằng 10% tới 100% công suất danh định

Với kiểu vô cấp, có thể thay đổi công suất máy theo yêu cầu của tải băng việc dịch chuyển con trượt tới vị trí tương ứng với tải Để thực hiện nhiệm vụ này, người ta sử dụng một bộ điều khiển số chuyên dụng để điều khiển các van solenoid, như thay

đổi chu kỳ, độ rộng xung mở van, đóng mở các van phù hợp với chiều dịch chuyển con trượt nhằm tăng hay giảm công suất theo tải đòi hỏi

Tuy nhiên, với dạng tải là dàn tạo đá vảy cho các trạm trộn dự lạnh bê tông, thường tải hầu như không thay đổi trong quá trình vận hành và luôn ở mức 100%, nên sơ đồ

điều khiển được chọn là điều khiển có cấp với 25%, 50% và 100%, nhằm đáp ứng việc giảm tải trong quá trình khởi động

Lối xả khí

Lối hồi khí

đầu hút

Hình 7 Kết cấu máy nén trục vít có con trượt điều khiển công suất nén

Piston

Lối đầu hút

Đường dầu bôi trơn và điều khiển

Hình 8 Sử dụng phần mềm BITZER Software 5.1 để tính toán sơ đồ thiết bị

và tính chọn máy nén, bình ngưng, bình economizer

- Môi chất lạnh: R22

- Kiểu thiết bị: ống vỏ, nước đi trong ống

- Năng suất giải nhiệt: 165.35 kW

- Nhiệt độ ngưng tụ: 38 oC

- Độ quá nhiệt trước ngưng tụ: 66.2 oC

- Độ quá lạnh sau ngưng tụ: 4 K

Hình 9 Tính chọn thiết bị phụ (tách dầu, làm nguội dầu)

trên BITZER Software 5.1

4./ Thông số bình tách dầu, bình làm nguội dầu và bình Economizer

Tương tự như với bình ngưng tụ, sủ dụng phần mềm BITZER Software 5.1, ta chọn được các thiết bị phụ đi với máy nén HSN 8571-125-40P như sau:

- Bình tách dầu: kiểu OA 4088 của hãng BITZER, kết cấu đứng, chuyên dùng cho R22, thể tích chứa dầu lớn nhất 40 dm3, công suất tách 660 m3/h cho lưu lượng hút ở dải nhiệt độ thấp, đáp ứng nhu cầu tách dầu cho nhiều nhất 01 máy series HS 85

- Bình làm nguội dầu: kiểu OW941 của hãng BITZER, kết cấu ống vỏ nằm ngang 3-6 lối, công suất làm mát 52 kW dầu có nhiệt độ vào tới 1000C, với nhiệt độ nước làm mát vào/ra bằng 27/320C, lưu lượng 8,8 m3/h, sụt áp tối đa 0,22 bar

- Bộ trao đổi nhiệt Economizer: kiểu OHC60/14CE của hãng APV (Đan Mạch), kết cấu dạng tấm bản hàn liền kích thước nhỏ gọn, hiệu suất trao đổi nhiệt cao, áp làm việc tới 30 bar, chuyên dùng cho dầu, nước, môi chất lạnh nhóm freon, có công suất làm lạnh 40 kW (ứng với lưu lượng môi chất 665 kg/h), áp suất đầu ra (tức đầu

vào máy nén) 3,94 bar, nhiệt độ hơi môi chất quá nhiệt -6,96 C, nhiệt độ quá lạnh của môi chất lỏng (tại áp suất ngưng) sau khi qua bình là 3,020C Với nhiệt độ này, entalpi của môi chất vào cối giảm xuống còn 507,8 kJ/kg, hệ quả là năng suất lạnh riêng qe của hệ thống tăng đáng kể ( = 186.56/152.56 = 22%)

5./ Thông số bình hạ áp - cấp dịch kiểu tràn (hay bình giữ mức-tách lỏng)

Được tính toán, thiết kế một phần theo mẫu của các hãng hàng đầu thế giới về sản xuất máy đá vảy (như NorthStar, Scosman, Geneglace), nhằm đảm bảo các yêu cầu: chứa đủ dịch lạnh cho cấp dịch cối đá vảy theo lưu lượng thiết kế, có đủ không gian để đảm bảo hiệu suất tách lỏng trươc khi hơi về máy nén, được bảo ôn tốt với nhiệt độ bay hơi khá thấp Trên cơ sở đó, bình được chọn kết cấu nằm ngang vừa nhằm giảm tốc độ vận chuyển hỗn hợp dịch và tăng hiệu suất tách, đồng thời dễ bố trí nhiều đường ống vào ra (ở đây là hai vào/hai ra), hệ thống duy trì mức lỏng bằng van phao Bình chế tạo bằng thép carbon có đường kính trong 610 mm, chiều dài

1500 mm, áp làm việc 1,778 bar Vị trí bố trí bình, cụ thể là chiều cao mức lỏng so với mặt trên cối tạo đá, được xác định theo mẫu (kinh nghiệm), vào khoảng 150 mm tới 200 mm, nhằm đảm bảo tạo đủ áp cho dịch vào cối một cách dễ dàng, đảm bảo năng suất hệ thống (xem thêm các hình 10 và bảng 4)

`

Bảng 4 Chọn kích thước bình hạ áp-cấp dịch kiểu tràn (R22)

Hình 10 Đồ thị xác định thời gian lưu trong bình tách lỏng

và khoảng rơi của hạt dịch lỏng (R22) có đường kính max 0,2mm theo nhiệt độ bay hơi

6./ Tính chọn kích thước đường ống và thiết bị phụ

Do đặc điểm của thiết bị là được chế tạo dưới dạng tổ hợp cụm, đồng bộ và có khả năng vận chuyển, chiều dài các ống dẫn môi chất và nước lạnh rất ngắn Vì vậy, không nhất thiết phải tiến hành tính toán kích thước đường ống trên cơ sở tổn thất áp suất ma sát và cục bộ Trong bản thiết kế này, kích thước đường ống và thiết bị phụ

được chọn theo các thiết bị chính của hệ thống như thiết bị bay hơi, thiết bị ngưng

tụ, máy nén, bơm nước lạnh Riêng các van quan trọng như van dãn nở nhiệt cho mạch economizer, van hiệu chỉnh cấp dịch cho cối, van phao được tính chọn theo hướng dẫn của hãng sản xuất (ví dụ tính chọn van TXV cho eco: xem hình 11)

Hình 11 Sử dụng phần mềm Coolselector ver.1.0.0.8 của Danfoss cho tính chọn

van dãn nở nhiệt và các loại van lạnh của hãng này

7./ Tính chọn thiết bị giải nhiệt

Căn cứ năng suất giải nhiệt đã tính là 173 kW, ta chọn thiết bị giải nhiệt kiểu tháp tròn của Liangchi cỡ nhỏ nhất là LC-80, có công suất giải nhiệt danh định 80 USRT (tương đương 280 kW), với lưu lượng nước tuần hoàn 60 m3/h, động cơ quạt gió 1,5 kW

3.2 tính toán thiết kế và chọn thiết bị cơ

3.2.1 Tính công suất quay trục dao cắt đá:

Hình 10 Sơ đồ xích truyền động dao cắt đá

Các thông số của cối sản xuất đá vảy đã tính toán ở phần công nghệ lạnh:

+ Chiều cao bề mặt làm việc(chiều cao tạo đá): 1770 mm

+ Đường kính bề mặt làm việc (bề mặt tạo đá): 1200 mm

+ Vận tốc quay của trục dao cắt đá: n4 = 1,4 vòng/phút (≈ 41,3 giây/vòng)

+ Số lưỡi dao cắt đá: 48 lưỡi

+ Chiều dày lớp đá tạo ra trên bề mặt: 2 mm

Công suất dẫn động trục mang dao dùng để thắng lực cản cắt của đá băng và lực bám dính của đá băng trên bề mặt cối (bề mặt tạo đá)

Lực cản trên 1 lưỡi dao cắt được tính như sau

Trong đó:

fc: lực cản cắt của đá băng fc=p.q (N) (3.22)

- q: diện tích phần đá vẩy được cắt ra trên 1 mũi dao, q = 1,5.50 = 75 mm2

- p: lực cắt đơn vị, hằng số phụ thuộc vật liệu gia công, p = ( 0,5ữ1 ) HB,

F4 = f4 n = 130 ì 48 = 6240 N (n: là số lưỡi dao cắt) Mô men cần thiết để cắt tách phân tố đá băng nằm giữa 2 lưỡi dao ra khỏi thân cối: M4 = F4.R [Nmm]

Công suất tiêu hao dùng tách lớp đá ra khỏi thân cối:

Pct =

η 10 55 ,

9

.

6 4

4 n M

KW

R – Khoảng cách từ trục mang dao đến thân cối (m), R=600 mm

η- Hiệu suất truyền động của máy trộn, η=0,75ữ0,85

n4- Tốc độ quay của trục mang dao, n4 = 1,4 vòng/phút

Vậy ta có:

Pct =

8 0 10 55 , 9

600 4 , 1 6240

6 = 0,686 KW

Chọn động cơ dẫn động cho trục mang dao là động cơ có công suất Pđc = 0,75

KW, tốc độ 750 vòng/phút

3.2.2 Tính toán bộ truyền đai:

Mối quan hệ giữa tốc độ quay của trục mang dao và động cơ được biểu diễn qua công thức sau:

n1=i1.i2 i3.n4

n4 – là tốc độ quay trục mang dao

n1 – là tốc độ quay động cơ

i1 – là tỉ số truyền bộ truyền đai

i2 – là tỉ số truyền của hộp giảm tốc

i3 – là tỉ số truyền của bộ truyền bánh răng côn

Do tốc độ của động cơ chọn là n1 = 750 vòng/phút, tốc độ quay của trục mang dao là n4 = 1,4 vòng/phút chênh lệch nhau quá nhiều nên nếu chúng ta không thay

đổi tốc độ đầu vào của động cơ thì hộp giảm tốc sẽ rất lớn và để điều khiển năng suất của cối một cách chính sác nhất so vơí tính toán về mặt cơ học ta phải thay đổi

được số vòng quay của trục mang dao trong khoảng ± 10% nên:

⇒ Chọn phương pháp dùng biến tần để điều khiển tốc độ động cơ về tốc độ mong muốn là 520 vòng/phút

Chọn tỉ số truyền của bộ truyền đai là i1=2

Chọn tỉ số truyền của bộ truyền bánh răng côn i3 = 4,64

Tốc độ quay của trục mang dao n3 = 1,4 v/ph

Tốc độ quay của động cơ sau khi được điều khiển bằng biến tần n1= 520 vòng/phút Vậy tỉ số truyền của hộp giảm tốc phải là:

i2=

3 3

= 167,30

- Xác định số đai Z:

z u l 0

d 1

C.C.C.C]

P

[

K.P

α

P1 – Công suất trên trục bánh nhỏ, P1=0,75KW

[P0] – Công suất cho phép của một đai, [P0] = 1,35 KW

Kd – Hệ số tải trọng động, trong trường hợp này ta chọn Kd=1,25

Cz – Hệ số kể đến ảnh hưởng của sự phân bố không đều tải trọng trên các đai

=

= 35 , 1

75 , 0 ] [P0

P

0,55, ta chọn CZ= 0,75

Z=

75 , 0 12 , 1 8 , 0 95 , 0 35 , 1

25 , 1 75 , 0

=1,1

Vậy ta chọn số đai Z = 2

3.2.3 Tính toán trục mang dao:

Khi làm việc, trục mang dao chịu tác dụng của các lực sau: Mô men xoắn từ cặp bánh răng côn, phản lực từ các gối ổ, phản lực của lớp đá trong cối tác động lên trục thông qua các lưỡi dao

Trục mang dao sẽ ở trạng thái nguy hiểm nhất khi một lưỡi dao tại vị trí chính giữa 2 gối ổ bị kẹt, ta sẽ tính sức bền cho trục ở trạng thái này

Căn cứ vào cấu tạo của cối trộn ta có sơ đồ tính toán như hình 11

Tính Mômen xoắn trên trục:

Mô men xoắn trên trục được xác định bởi công thức sau:

) ( 10 55 , 9

4

3

Nm n

Pdc - Công suất truyền của động cơ , Pđc = 0,75 (Kw)

n3 - Số vòng quay của trục mang dao, n4 = 1,4 (v/ph)

Hình 11 Sơ đồ tính toán trục trộn

η - Hiệu suất của bộ truyền, η = 0,8

) ( 4093 4

, 1

8 , 0 10 55 , 9 75 ,

Nm

Ta có biểu đồ mô men xoắn như (hình 12) biểu đồ T

Tính Mômen uốn trục:

- Lực vòng FY (lực cản khi trục dao cắt bị kẹt):

6 , 0

4093

N h

M

Y = = =(h – là khoảng cách từ lưỡi trộn đến trục quay, h = 0,6 m)

- Lực dọc trục Fz được sinh ra do lưỡi dao được bố trí nghiêng góc với trục quay:

Fz = FY.tgα (α - là góc nghiêng giữa lưỡi dao và trục quay, α=5o)

VrBY+ rCY +rY =

⇒ VBY + VCY =FY (1) Phương trình cân bằng mô men tại điểm A

z F z V M

l z z V M

Y BY Y

BY Y

5 , 0 ) 5 , 0 (

.

5 , 0 0

.

l – khoảng cách giữa 2 gối đỡ, l= 2114 mm

Mô men uốn tại điểm A: MAY =VBY

2

l