5. Kết cấu của đề tài
1.1 Giới thiệu chung về máy ly tâm
1.1.1 Giới thiệu
Ly tâm là một quá trình được sử dụng để tách hoặc cô đặc các phần tử lơ lửng trong môi trường chất lỏng. Cơ sở lý thuyết của công nghệ này dựa vào tác động của trọng lực lên các phần tử lơ lửng trong chất lỏng, phần tử có khối lượng, kích thước các hạt và mật độ khác nhau sẽ lắng ở những tốc độ khác nhau tương ứng với trọng lượng của chúng. Lực ly tâm được sử dụng để tách các phần tử trong dung dịch và tăng tốc độ lắng bằng một thiết bị được gọi là máy ly tâm [1].
Hình 1.1: Nguyên lý ly tâm [1] 1.1.2 Phân loại máy ly tâm
Có nhiều cách để phân loại các kiểu ly tâm khác nhau. Trong thực tế máy ly tâm được phân loại như sau [2]:
1.1.2.1 Theo yếu tố phân ly
- Máy ly tâm tốc độ thường dùng để phân ly huyền phù có nồng độ khác nhau (trừ huyền phù mịn).
a) Máy ly tâm tốc độ thường b) Máy ly tâm tốc độ cao
Hình 1.2: Phân loại máy ly tâm theo yếu tố phân ly [2] 1.1.2.2 Theo công dụng của máy
- Máy ly tâm dùng để lọc các huyền phù mà pha phân tán gồm các hạt tinh thể hoặc để tách nước của các vật liệu rắn ngậm nước.
- Máy lắng ly tâm dùng để phân riêng huyền phù khó lọc hoặc để lắng trong huyền phù có nhiệt độ thấp.
- Máy phân ly dùng để phân riêng nhũ tương.
Hình 1.3: Cơng dụng lọc các huyền phù [3] 1.1.2.3 Dựa vào phương pháp tháo bã
Theo phương pháp tháo bã máy ly tâm được phân loại gồm: - Máy ly tâm tháo bã bằng tay (hình 1.4a);
- Máy ly tâm tháo bã bằng dao (hình 1.4b); - Máy ly tâm tháo bã bằng vít xoắn (hình 1.4c); - Máy ly tâm tháo bã bằng pitong (hình 1.4d).
a) Máy ly tâm tháo bã bằng tay b) Máy ly tâm tháo bã bằng dao
c) Tháo bã bằng vít xoắn d) Tháo bã bằng pittơng
Hình 1.4: Phân loại máy ly tâm theo phương pháp tháo bã [2] 1.1.2.4 Theo cấu tạo chổ tựa
Theo cấu tạo chỗ tựa máy ly tâm được phân loại gồm: kiểu đứng và kiểu treo.
a) Kiểu đứng b) Kiểu treo
Hình 1.5: Phân loại máy ly tâm theo cấu tạo chỗ tựa 1.2 Máy ly tâm trục đứng
Máy ly tâm trục đứng bao gồm các loại: máy ly tâm trục đứng tốc độ thường và máy ly tâm trục đứng tốc độ cao.
1.2.1 Máy ly tâm trục đứng tốc độ thường
và có tốc độ cỡ vài ngàn vịng/phút. Mặc dù tốc độ quay không được điều chỉnh hoặc chỉ có thể điều chỉnh trong phạm vi hẹp, nhưng những máy ly tâm loại này vẫn được sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích khác nhau mà khơng cần sử dụng những máy lớn hơn, phức tạp hơn [1].
1. Rơto lọc; 2. Bình chứa hình cơn; 3. Ổ đỡ; 4, 5. Bộ phận giảm chấn; 6. Vỏ dạng vành khăn; 7. Thùng chứa mật rỉ; 8. Thùng chứa đường
Hình 1.6: Máy ly tâm hình cơn tháo vật lắng bằng sức ly tâm [4]
Máy ly tâm trục đứng tốc độ thường, được sử dụng nhiều nhất trong cơng nghiệp đường là máy ly tâm hình cơn tác dụng liên tục. Khi đường non chảy thành dòng liên tục vào trong bộ phận chứa (2) với góc mở nhỏ của hình cơn, ở nơi này đường non được tăng tốc đến tốc độ quay vòng và đi vào lưới lọc.
Ổ trục được sử dụng trong máy ly tâm trục đứng tốc độ thường là các loại ổ trục cơ. Loại ổ cơ này đang được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và vẫn còn tồn đọng một số vấn đề như: tốc độ không cao, rung động mạnh, lắc, ồn,... khi hoạt động do ma sát sinh ra lớn (tiếp xúc giữa trục và ổ), địi hỏi mơmen khởi động lớn để hệ thống có thể khởi động và đi vào trạng thái ổn định.
Máy ly tâm trục đứng tốc độ thường thường có các kiểu:
- Máy ly tâm kiểu treo: dùng để phân riêng huyền phù mịn và trung bình như ly tâm đường, tách hố chất, tách nước khỏi thực phẩm là chất lỏng,…
- Máy ly tâm ba chân: dùng để ly tâm huyền phù chứa các hạt rắn nhỏ, trung bình hoă ̣c làm khơ bã lọc.
1.2.2 Máy ly tâm trục đứng tốc độ cao
Các máy ly tâm trục đứng tốc độ cao thường được dùng để phân riêng huyền phù mịn hoặc nhũ tương cần có lực ly tâm rất lớn. Máy ly tâm trục đứng tốc độ cao được chia làm hai loại theo số vòng quay: loại có số vịng quay từ 5000 - 10000 v/p và loại có số vịng quay từ 14000 - 45000 v/p [2].
1.2.2.1 Máy ly tâm trục đứng tốc độ cao kiểu đĩa
Máy ly tâm trục đứng tốc độ cao kiểu đĩa thường được dùng để phân ly dung dịch nhũ tương hoặc dùng để làm trong chất lỏng.
1-Thùng quay; 2- Đĩa; 3- Ống dẫn; 4- Lỗ; 5- Cửa tháo pha nặng; 6- Cửa tháo pha nhẹ; 7- Tấm
Hình 1.7: Máy ly tâm tốc độ cao loại đĩa [2]
Cấu tạo gồm có thùng quay (1), bên trong gắn các đĩa hình nón cụt (2), nhũ tương đi vào ống (3) đi xuống phần dưới của thùng và đi qua lỗ (4) ở các đĩa phân thành các lớp mỏng. Chất lỏng nặng trượt theo đĩa xuống dưới tập trung ở ngoài thành thùng theo lỗ (5) ra ngoài. Chất lỏng nhẹ chuyển động ngược trở lại theo hướng tâm qua rãnh (6) ra ngoài. Để chất lỏng không dừng lại người ta đặt các cánh (7) ở sát thùng.
Ưu điểm:
- Máy có mức độ phân ly cao, thể tích thùng lớn. Nhược điểm:
- Máy có cấu tạo phức tạp, gia cơng khá khó khăn khi sử dụng vật liệu chống ăn mịn (dịng thép khơng gỉ);
- Ổ trục sử dụng trong máy là loại ổ cơ, nên khi máy hoạt động ở tốc độ cao với thời gian sử dụng dài sẽ dẫn đến ổ trục bị mòn, rơ dẫn đến máy bị rung lắc cao.
1.2.2.2 Máy ly tâm trục đứng tốc độ cao loại ống
Máy ly tâm trục đứng tốc độ cao loại ống dùng để phân riêng huyền phù mịn, huyền phù ướt, nhũ tương,... Máy ly tâm loại ống có bán kính nhỏ, nhưng số vịng quay rất lớn, từ 14000 - 45000 v/p [2].
a) Máy ly tâm cao tốc loại ống; b) Kết cấu đầu trên của ống 1- Ống; 2- Ống dẫn dung dịch; 3- Vỏ máy; 4- Tay hãm; 5- Cửa pha nhẹ;
6- Cửa pha nặng; 7- Trục dẻo; 8- Bánh xe đai; 9- Ổ đỡ; 10- Dây đai
Hình 1.8: Máy ly tâm trục đứng tốc độ cao loại ống [2]
Cấu tạo của máy gồm ống 1 với đường kính 200 mm, chiều dài ống gấp 5 – 7 lần đường kính, đặt trong vỏ hình nón 3. Dung dịch vào máy ở ống dẫn 2. Đầu trên của ống nối với trục 7 có dây đai nối với động cơ. Đầu dưới của ống lắp vào ổ đỡ 9 để ống quay ổn định và tránh rung động. Khi dừng máy dùng tay hãm 4. Bên trong ống có lắp 3 hoặc 4 cánh hướng tâm chạy dọc suốt ống để hướng chất lỏng chuyển động lên phía trên.
Ưu điểm:
- Máy có độ phân riêng rất lớn, lực ly tâm của máy gấp 8 đến 34 lần máy ly tâm thường, làm việc chắc chắn, cấu tạo gọn gàng.
Nhược điểm:
- Máy làm việc gián đoạn, dung tích nhỏ, tháo bã bằng tay;
- Kết cấu của máy chưa có bộ phận giảm rung động: như lị xo, cao su giảm chấn,... Ngoài ra, do sử dụng ổ cơ nên sau một thời gian hoạt động sẽ dẫn tới tình trạng ổ bị rơ, lỏng trong khi việc tháo lắp thay thế và sửa chữa đòi hỏi nhiều thời gian.
1.3 Các máy ly tâm trục đứng công nghiệp sử dụng ở Việt Nam 1.3.1 Máy ly tâm dầu điều 1.3.1 Máy ly tâm dầu điều
1.3.1.1 Nguyên lý hoạt động
Dầu điều sau khi được nấu luyện trong nồi áp suất sẽ được chuyển vào máy ly tâm theo từng mẻ 50 kg để tiến hành ly tâm tách dầu trong khoảng 5 phút thì tiến hành tháo bã, sau đó tiếp tục với mẻ nguyên liệu khác.
a) Nguyên lý b) Máy ly tâm dầu điều
Hình 1.9: Máy ly tâm dầu điều 1.3.1.2 Nhận xét
- Kết cấu máy cồng kềnh, sử dụng ổ cơ;
- Số vòng quay nhỏ n < 1000 (v/p);
- Sử dụng các chi tiết giảm chấn như: lò xo, cao su giảm chấn,…
- Năng suất: 50 kg/mẻ trong thời gian 5 phút.
1.3.2 Máy ly tâm 3 chân 1.3.2.1 Nguyên lý hoạt động 1.3.2.1 Nguyên lý hoạt động
Máy ly tâm ba chân gồm có bộ phận thùng trụ thẳng đứng chuyển động quay quanh trục chính. Trong q trình lắng, lọc ngun liệu chuyển động quay cùng roto của máy. Lực ly tâm sẽ làm cho các cấu tử có khối lượng riêng khác nhau phân riêng theo hướng của gia tốc trường lực. Nhờ lực ly tâm, nước lọc bị văng ra rồi chảy vào thùng chứa, còn bã nằm lại trên bề mặt lưới lọc ở thùng quay. Việc cạo rửa chất bã có thể thực hiện bằng tay hoặc tự động bằng pittông lên xuống. Máy ly tâm ba chân thường gặp trong sản xuất nước đậu nành (tách bã khỏi dung dịch đậu nành xay), sản xuất tinh bột khoai mì.
a) Nguyên lý b) Máy ly tâm 3 chân
Hình 1.10: Máy ly tâm ba chân 1.3.2.2 Nhận xét
- Kết cấu máy phức tạp, khó chế tạo, sử dụng ổ cơ;
- Số vòng quay nhỏ: n < 1000 (v/p);
- Sử dụng các chi tiết giảm chấn như: lò xo, cao su giảm chấn,…
- Năng suất: 20 kg/mẻ trong thời gian 5 phút.
1.3.3 Máy ly tâm chanh dây 1.3.3.1 Nguyên lý hoạt động 1.3.3.1 Nguyên lý hoạt động
Nguyên liệu chanh dây được pha với nước sau đó được cho vào máy ly tâm theo từng mẻ 5 kg để tiến hành ly tâm tách nước chanh dây trong thời gian khoảng 3 - 5 phút, sau đó tiến hành tháo bã (mỗi mẻ tháo bã một lần).
a) Nguyên lý b) Máy ly tâm chanh dây
1.3.3.2 Nhận xét
- Kết cấu máy cồng kềnh, sử dụng ổ cơ; - Số vòng quay nhỏ: n < 400 (v/p);
- Sử dụng các chi tiết giảm chấn như: lò xo, cao su giảm chấn,… - Năng suất: 10 kg/mẻ trong thời gian 3 - 5 phút.
1.3.4 Đánh giá chung
- Máy ly tâm trục đứng công nghiệp thường được sử dụng để phân tách tinh bột khoai mì, tách hạt chanh dây, phân tách dầu ra khỏi hạt điều,…
- Số vòng quay thấp: n = 400 - 1200 v/p;
- Công suất phân ly nhỏ: 20 kg/mẻ (trong khoảng 5 phút); - Sử dụng ổ cơ;
- Kết cấu điển hình của chúng được trình bày ở hình 1.12.
Hình 1.12: Kết cấu máy ly tâm
Ưu điểm:
- Kết cấu máy đơn giản, dễ chế tạo;
- Ổ trục sử dụng trong máy ly tâm trục đứng là loại ổ cơ (ổ đỡ, ổ chặn). Các loại ổ cơ này đang được sử dụng rất rộng rãi trong cơng nghiệp, có sẳn trên thị trường nên việc thay thế bảo trì, sửa chữa khá thuận lợi.
Nhược điểm:
- Do sử dụng ổ cơ nên khi hoạt động sẽ sinh ra ma sát lớn do có sự tiếp xúc lăn/trượt giữa ngõng trục và ổ.
- Địi hỏi mơmen khởi động lớn để hệ thống có thể khởi động và đi vào trạng thái ổn định.
- Việc sử dụng ổ cơ cho các ứng dụng tốc độ cao yêu cầu ổ được thiết kế và chế tạo đặc biệt, độ chính xác cao, việc lắp đặt cần chính xác, và gắn thêm các thiết bị giảm rung động như: lò xo giảm chấn, cao su giảm rung động.
1.4 Ổ khí tĩnh 1.4.1 Giới thiệu
Ổ khí tĩnh sử dụng một màng mỏng khơng khí được dẫn vào khoảng trống giữa bề mặt ổ khí và ngõng trục thơng qua một hệ thống các rãnh nhỏ để nâng đỡ ngõng trục. Dịng khí phải là dịng chảy liên tục, được cung cấp từ nguồn ngoài với áp suất cao, khí thốt ra ngồi qua các mép của ổ khí.
Hình 1.13: Hình dạng các loại ổ khí tĩnh [11]
Trong ổ khí tĩnh có hai cách bố trí các lỗ cấp khí:
a) Orifice b) Porous
Hình 1.14: Bố trí các lỗ cấp khí [12]
- Phân bố khí tập trung (orifice), loại này thì áp suất khơng khí bên ngồi được cung cấp cho ổ khí thơng qua một hay một số các lổ nhỏ.
- Phân bố khí đều (porous), loại này thì áp suất khơng khí bên ngồi được cung cấp cho ổ khí thơng qua một hệ thống các lổ nhỏ phân bố đều.
Hình 1.15: Đường cong phân bố áp suất [12]
Ưu điểm:
- Không tiếp xúc nên ma sát rất thấp
- Khả năng hoạt động khoảng tốc độ rộng, không đến vượt quá 350.000 v/p - Độ cứng vững cao
- Quay với độ chính xác cao
- Thời gian sử dụng lâu dài do bề mặt không tiếp xúc trực tiếp - Sinh nhiệt thấp
Nhược điểm:
- Ổ khí tĩnh có nhược điểm nổi bật là cần nguồn cung cấp khí nén áp suất cao và đường dẫn khí. Khả năng tải của loại ổ này khơng phụ thuộc vào tốc độ, trừ một số trường hợp đặc biệt xảy ra khi tốc độ lớn vì khi ấy sẽ suất hiện hiệu ứng khí động. Ổ khí tĩnh có thể sử dụng ngay cả khi tốc độ bằng không, tải trọng của chúng khơng phụ thuộc vào độ nhớt của khí bơi trơn. Tải trọng riêng của ổ khí tĩnh bị hạn chế bởi áp suất khí cung cấp và chúng khơng địi hỏi chế tạo chính xác cao [5].
1.4.2 Ứng dụng của ổ khí tĩnh
Ổ khí tĩnh được ứng dụng rộng rãi trong các máy móc có độ chính xác cao, các máy đo 3D, các máy cơng cụ có số vịng quay lớn,…[14]
- Đối với các ứng dụng trong y tế, máy khoan răng dùng trong nha khoa là một trong những ứng dụng của ổ khí tĩnh. Máy khoan có thể cung cấp cho các mức tốc độ cao với mức độ tiếng ồn thấp khi hoạt động.
Hình 1.16: Ứng dụng ổ khí tĩnh trong máy khoan răng nha khoa [14]
- Ổ khí tĩnh được sử dụng trong băng trượt để sản xuất máy cơng cụ chính xác, máy móc, thiết bị kiểm tra, đo vịng bi cho động cơ tuyến tính và trục chính xác tốc độ cao như trong máy tiện, phay hoặc máy mài.
Hình 1.17: Ổ khí tĩnh trong máy mài phẳng và trụ [14] 1.4.3 Kết cấu
Ổ khí tĩnh có kết cấu khá đa dạng tùy theo bề mặt làm việc mà có kết cấu khác nhau, gồm các thành phần: vịng ổ có rãnh dẫn dịng khí luân chuyển nhờ áp lực khơng khí từ bên ngồi cung cấp vào đảm bảo cho việc bôi trơn [11].
1.4.4 Nguyên lý hoạt động
Ổ khí tĩnh là loại ổ trượt khơng khí có khoảng cách giữa trục và bạc đỡ là một lớp khơng khí mỏng được cung cấp bởi máy nén khí từ bên ngồi. Ổ khí tĩnh phù hợp với tốc độ cao do ma sát thấp và được áp dụng trong các máy chuyển động siêu chính xác với vịng quay tốc độ cao bởi hiệu ứng cân bằng lớp khơng khí mỏng.
Hình 1.19: Ngun lý hoạt động ổ khí tĩnh [14] 1.4.5 Các thơng số ổ khí tĩnh
Ổ khí tĩnh có rất nhiều thơng số ảnh hưởng đến khả năng làm việc nhưng điển hình là các thơng số cơ bản ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của ổ như: khả năng áp suất cung cấp, lưu lượng của nguồn cấp khí, khơng gian lắp ổ khí, khe hở giữa trục và ổ, đường kính lỗ cấp khí nhỏ nhất có thể gia cơng, vị trí đặt lỗ cấp khí và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hoạt động của ổ,… [14].
1.5 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1.5.1 Các nghiên cứu ngoài nước
- Năm 2017, Xinkuan Wang, Qiao Xu, Ming Huang, Lianxin Zhang, Zhike Peng, đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ sóng bề mặt ổ đến hiệu suất hoạt động của ổ