Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm máy ép viên đa nguyên liệu 4

53 CHƯƠNG 4 VẬT LIỆU PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chương này trình bài các phương pháp nghiên cứu, dụng cụ thí nghiệm, cách xác định các biến đầu vào của thực nghiệm và các hàm mục tiêu và phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm sản xuất viên nén từ máy ép viên theo mục tiêu của luận văn 4 1 Tổng quát các nội dụng thực hiện đề tài nghiên cứu Đề tài của luận văn được thực hiện theo trình tự như sau Hình 4 1 Tóm tắt thực hiện đề tài luận văn Khảo sát các đối tượng nghiên cứu (mùn cưa, bột.

CHƯƠNG 4 VẬT LIỆU PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương này trình bài các phương pháp nghiên cứu, dụng cụ thí nghiệm, cách xác định các biến đầu vào của thực nghiệm và các hàm mục tiêu và phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm sản xuất viên nén từ máy ép viên theo mục tiêu của luận văn

4.1 Tổng quát các nội dụng thực hiện đề tài nghiên cứu

Đề tài của luận văn được thực hiện theo trình tự như sau:

Hình 4.1 Tóm tắt thực hiện đề tài luận văn

Khảo sát các đối tượng nghiên cứu (mùn cưa, bột Nylon tạo ra

từ máy cắt nghiền)

Khảo sát và đánh giá nguyên lý các máy ép viên

Tính toán thiết kế máy ép viên kiểu khuôn phẳng

Xác định các thông số ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của

4.2 Phương pháp nghiên cứu

4.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

4.2.1.1 Phương pháp kế thừa

Kế thừa có chọn lọc với kết quả nghiên cứu của các tác giả đã nghiên cứu về lĩnh vực thiết

kế máy ép viên nén thông qua các công trình khoa học đã được công bố

Tìm hiểu một số máy ép viên nén ở các cơ sở trong nước và nhập khẩu

Tiếp cận và tiếp thu các ý kiến của các chuyên gia, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực chế tạo máy nói chung và lãnh vực máy ép viên nói riêng

Tiến hành khảo sát công nghệ và thiết bị, tìm hiểu phân tích thiết bị để nắm bắt được các thông số cơ bản và công nghệ, yêu cầu kỹ thuật của thiết bị làm cơ sở so sánh, đánh giá thiết bị khi nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

Tìm hiểu các ưu điểm và nhược điểm của các máy ép viên hiện nay để thực hiện lựa chọn nguyên lý phù hợp cho việc sản xuất viên nén đa nguyên liệu theo hướng nghiên cứu của luận văn đề ra

Trên cơ sở tiếp cận, tìm hiểu về công nghệ, thiết bị và những kinh nghiệm chuyên môn, tiếp thu có chọn lọc những ưu khuyết điểm làm cơ sở vững chắc cho quá trình nghiên cứu giúp tiết kiệm thời gian, công sức, chi phí nghiên cứu và đem lại hiệu quả tốt cho đề tài

4.2.1.2 Phương pháp giải tích toán học

Áp dụng các công thức toán học về lĩnh vực thiết kế và chế tạo máy để giải quyết các bài toán thiết kế theo hướng tạo ra mô hình vật lý cũng như giải các bài toán về qui hoạch thực nghiệm

4.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Quy hoạch thực nghiệm (QHTN) được Fisher đề xuất trong những năm 30 của thế kỷ XX

để giải các bài toán thực nghiệm Fisher đã đưa ra một lĩnh vực mới của thống kê toán học

là giải tích phương sai, cho phép ước lượng vai trò của từng yếu tố trong tổng phương sai Giải tích phương sai và giải tích hồi qui dựa trên cơ sở QHTN có mối liên hệ rất phức tạp

Trong luận văn tác giả lựa chọn phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố, nhằm xác định khoảng nghiên cứu và miên giá trị của các yếu tố cần nghiên cứu, từ đó xác định điểm thích hợp

Nguyên tắc của phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố là cố định các yếu tố khác để xác định ảnh hưởng của yếu tố biến thiên tới hàm mục tiêu mà mình đã đoán định và thăm dò trước đó Qua đó thăm dò được khoảng nghiên cứu cho phép của yếu tố và các ảnh hưởng tới giá trị cực trị của hàm mục tiêu

Trên cơ sở đó, luận văn tiến hành làm thực nghiệm đơn yếu tố cùng với việc sử dụng phần mềm SPSS để xử lý số liệu thống kê xác định miền giá trị, từ các kết quả thu được cho phép xây dựng được chế độ làm việc của máy ép hợp lý

Nội dung của các thực nghiệm đơn yếu tố là xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ liên qua đến 4 hàm mục tiêu gồm hiệu suất sản xuất viên nén  (%), tiêu hao điện năng riêng Nr ( kWh/ kg sản phẩm), khối lượng riêng của viên nén vn (kg/m3) và nhiệt trị riêng qvn (kcal/kg)

Các thực nghiệm được tiến hành bao gồm:

4.3 Xác định các thông số nghiên cứu đầu vào và phương pháp xác định

4.3.1 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình sản xuất viên nén đa nguyên liệu

Các thông số đầu vào ảnh hưởng đến quá trình sản xuất viên nén sẽ bao gồm:

- Độ ẩm hỗn hợp mùn cưa và bột nilon

- Đường kính hạt nguyên liệu mùn cưa và bột nhựa

- Tỷ lệ hỗn hợp mùn cưa và nilon

- Vận tốc tương đối của quả lô ép với khuôn ép

- Khe hỡ qua lô ép với khuôn ép

- Số vòng quay của khuôn ép

- Áp lực ép

- Nhiệt độ trong quá trình ép

Kế thừa các thông số công nghệ từ kết quả của đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ khí hóa để xử lý rác thải rắn trong sản xuất công nghiệp - chế biến tạo năng lượng phục

vụ cho quá trình sấy và bảo quản nông sản, thực phẩm.” của PGS.TS Bùi Trung Thành [41]

a Các thông số kế thừa gồm:

- Đường kính hạt nguyên liệu được lấy cho loại 1mm

- Tỷ lệ hỗn hợp nguyên liệu sản xuất viên nén 15% nylon và 85% mùn cưa

- Độ ẩm hỗn hợp nguyên liệu sản xuất viên nén chon 13%

Độ ẩm nguyên liệu là một thông số hết sức quan trọng trong quá trình ép viên, độ ẩm nguyên liệu quá khô sẽ làm cho ma sát giữa thành lỗ với nguyên liệu tăng cao dẫn đến làm tăng lượng bụi bột, tăng phản lực ép có thể dẫn đến vỡ khuôn Độ ẩm quá cao làm cho liên kết viên trở lên yếu làm viên dễ vỡ Trong điều kiện thí nghiệm luận văn chon độ ẩm 13%

b Vận tốc tương đối của quả lô ép với khuôn ép

Vận tốc tương đối của quả lô với khuôn ép có ảnh hưởng tới năng suất và chất lượng tạo viên Tuy nhiên khi vận tốc tăng trong một phạm vi nhất định thì năng suất cũng sẽ tăng theo, nhưng khi vận tốc tăng quá (vận tốc cao) thì khả năng ép lại kém Ngoài ra khi vận tốc lên cao sẽ ảnh hưởng tới quá trình chạy ổn định của máy

c Khe hở giữa quả lô và khuôn ép

Khe hở giữa quả lô với khuôn có ảnh hưởng rất lớn tới áp lực ép vì vậy dẫn đến ảnh hưởng tới chất lượng viên ép Khoảng cách càng nhỏ viên ép càng chặt

d Áp lực ép

Để ép ra viên có hình dạng và độ chắc bền nhất định thì khuôn ép và quả lô ép buộc phải chịu một áp lực rất lớn để tạo sức ép làm cho vật liệu thoát ra khỏi lỗ khuôn Áp lực này

có thể dẫn tới vỡ tức thời của khuôn, thời gian làm việc vượt quá cũng sẽ tạo ra tổn thương

và mỏi của khuôn làm ảnh hưởng tới chất lượng viên ép thành phẩm Bởi vậy, việc chọn vật liệu và phương pháp chế tạo khuôn là nhân tố rất quan trọng quyết định tính bền của

khuôn Trong điều kiện của phạm vi luận văn tác giả không đưa thông số này vào nghiên cứu và không có khả năng điều chỉnh được thông số này

4.3.2 Phương pháp xác định các thông số ảnh hưởng đến hàm mục tiêu

Như trên đã trình bày về phần giới hạn nghiên cứu cũng như kế thừa kết quả nghiên cứu trong đề tài luận văn chỉ tập trung nghiên cứu 2 thông số làm việc cơ bản chính ảnh hưởng đến hàm mục tiêu gồm số vòng quay của khuôn ép nkh (vòng/phút) và khe hở giữa khuôn

ép và lô ép (mm)

a Phương pháp xác định số vòng quay của khuôn ép

Số vòng quay của khuôn ép được xác định bằng cách đo bằng đồng hồ đô tốc độ kỹ thuật

số hiệu Lutron - DT-2235B đây là thiết bị đo theo nguyên lý tiếp xúc phạm vi đo từ 0.5 đến 19,999 RPM, Độ chính xác : ± 0.05%

b Khe hở giữa quả lô và khuôn ép

Khe hở giữa quả lô với khuôn có ảnh hưởng rất lớn tới áp lực ép vì vậy sẽ dẫn đến ảnh hưởng của chất lượng viên ép Khe hở giữa lô và khuôn ép được xác định bằng thước lá, phạm vi điều chỉnh trong khoảng từ (0,3÷1,2)mm

c Phương pháp xác định độ ẩm nguyên liệu vào máy ép

Độ ẩm nguyên liệu không được đề tài luận văn nghiên cứu, nhưng chi có tính chất là kiểm tra và đo xác định độ ẩm nguyên liệu theo yêu cầu phải cấp vào đạt 13% Kiểm tra độ ẩm nguyên theo theo công thức 4.1 Sử dụng chén sứ có nắp cho sấy ở nhiệt độ 100C rồi làm nguội trong bình hút ẩm Cân khoảng 10g mẫu cần đo (mùn cưa, hỗn hợp mùn cưa) chính

xác tới 0,001g cho vào chén sấy Đặt nhiệt độ ở nhiệt độ (80  5)C trong 3 giờ Lấy chén

ra đậy nắp, làm nguội trong bình hút ẩm rồi cân Sấy tiếp 30 phút, cân cho tới khi chênh lệch giữa hai lần cân liên tiếp không quá 0,001g

Cách tính độ ẩm nguyên liệu

0 ch

0100%

Trong đó: G0–khối lượng mẫu ban đầu, g

Gch–khối lượng chén sau sấy ở 100C, g

Gn–khối lượng chén và mẫu sau khi sấy lần cuối, g

Gn–1–khối lượng chén và mẫu sau sấy lần thứ n–1, g

Với Gn–1 – Gn 0,01g

4.4 Các hàm mục tiêu (thông số đầu ra) và phương pháp xác định

4.4.1 Các hàm mục tiêu của nghiên cứu

Các hàm mục tiêu (các thông số đầu ra) đối với quá trình sản xuất viên nén gồm:

Hiệu suất sản xuất viên nén đa nguyên liệu (viên nén đạt kích thước ra khỏi máy nén)

(%)

Tiêu hao điện năng riêng Nr( kWh/kg viên nén)

Khối lượng riêng của viên nén  (kg/m3)

Nhiệt trị của viên nén qvn ( kcal/kg)

Ý nghĩa của các hàm mục tiêu cụ thể như sau :

a Hiệu suất sản xuất viên nén

Hiệu suất của máy ép chịu ảnh hưởng của nhiều thông số đầu vào từ thành phần, độ ẩm, lực ép, công nghệ của máy ép Để đánh giá thông số này cần thay đổi một trong các yếu

tố đầu vào và giữa cố định các thông số còn lại để tìm hiểu mức độ ảnh hưởng lên hiệu

suất qua đó có sự điều chỉnh phù hợp Nó được đánh giá trên cơ sở tỉ lệ viên nén được tạo thành so với nguyên liệu hỗn hợp cấp vào Hiệu suất sản xuất viên nén có đơn vị %

b Nhiệt trị của viên nén

Nhiệt trị viên nén được xem là các thông số phản ánh sự hiệu quả của quá trình ép viên nén trên cơ sở thay đổi các thông số đầu vào gồm lực ép , thành phân nguyên liệu, độ ẩm Việc có thành phần nylon trong hỗn hợp giúp tăng nhiệt trị viên nén lên nhưng cũng gây

ra các vấn đề trong quá trình đốt cháy viên nén Nhiệt tri viên nén được tính theo kcal/kg

c Khối lượng riêng của viên nén

Khối lượng riêng viên nén là thông số đánh giá thành phần tạo viên nén, lực ép viên nén

và kích thước viên nén Khối lượng riêng viên nén được tính theo kg/m3

d Tiêu hao điện năng riêng

Tiêu hao điện năng riêng trong sản xuất viên nén là chỉ tiêu đánh giá tiêu thu điện sản xuất

ra 1 kg viên nén đa nguyên liệu

4.4.2 Phương pháp xác định các hàm mục tiêu (thông số đầu ra)

a Xác định hiệu suất tạo viên nén (tỉ lệ thu hồi sản phẩm viên)

Hiệu suất sản xuất viên nén là thống số quan trọng đánh giá chất lượng máy thiết kế, tỷ lệ hỗn hợp tạo ra viên nén và lực ép viên nén

Hiệu suất hay còn gọi là tỉ lệ thu hồi được xác định theo công thức:

100%

vn nlieu

m m

=

Trong đó:

mnlieu – là khối lượng tổng cộng xác định cho mỗi mẻ sản phẩm ra khỏi máy ép bao gồm bột còn sót lại không được nén, viên vụn lọt qua lỗ sàng và viên nén theo kích thước xác định, kg

mvn – Khối lượng viên nén là phần khối lượng đã được xác định kích thước bao gồm đường kính, chiều dài viên trong khoảng xác định từ 10-30mm Khối lượng viên nén được thu hồi theo kích thước xác định,(kg)

 – Tỉ lệ thu hồi (%)

b Xác định nhiệt trị của viên nén

Nhiệt trị của viên nén được xác định dựa trên tỉ lệ thành phần nguyên liệu tạo thành nó Quá trình ép tạo thành viên nén với làm tăng khối lượng riêng của hỗn hợp các nguyên liệu trong khi nhiệt trị bị ảnh hưởng bởi các thành phần So với các nhiên liệu khác thì nhiệt trị của viên nén khác Nhiệt trị viên nén được xác định theo công thức:

Qv = mmc x 20,52+ m nhưaPP x 41 (4.2) Trong đó:

Qv – Nhiệt trị của viên nén thành phẩm, kcal/kg

mmc - thành phần của mùn cưa trong viên nén quy về kg

mnl - thành phần của nylon trong viên nén quy về kg

Nhiệt trị mùn cưa lấy theo tài liệu có giá trị 4900kcal/kg

Nhiệt trị bột nhựa PP lấy theo tài liệu lấy giá trị :9765,8kcal/kg

Tiến trình xác định nhiệt trị tính toán như sau:

Thực hiện: Cân một viên nén bằng cân tiểu ly xác định khối lượng viên nén (gam) Tiến hành xác định khối lượng (gam) thành phần mùn cưa và bột nhựa PP theo tỷ lệ trộn ban đầu Căn cứ vào khối lượng xác định x nhiệt trị nguyên liệu theo tài liệu đính kèm tính Hình 4.2 Cân tiểu ly điện tử Ohaus Hình 4.3 Máy phân tích độ ẩm Axis

ra nhiệt trị viên nén quy về kcal/kg

c Xác định khối lượng riêng của viên nén

Khối lượng riêng của viên nén phụ thuộc nhiều vào khối lượng riêng và tỉ lệ của các thành phần khác có trong viên nén Khi tạo thành viên nén đa nguyên liệu thì các viên nén sẽ có khối lượng riêng khác nhau và được đo đạc thông qua thí nghiệm Phương pháp xác định khối lượng riêng bằng cách cho viên nén vào ống nghiệm có thể tích xác định 250 ml rồi cân khối lượng hỗn hợp viên nén và ống nghiệm để xác định khối lượng viên nén Lượng nhiên liệu này chiếm chỗ trong ống nghiệm theo thể tích được tính bằng cách xác định chiều cao đo được và đường kính ống cũng xác định Công thức xác định khối lượng riêng:

vn vn vn

m v

 =

(4.3) Trong đó:

 – khối lượng riêng của viên nén, kg/m3

mvn – khối lượng của viên nén, kg

vvn – thể tích riêng của viên nén, m3

Thể tích riêng của viên nén xác định theo công thức:

d

v =

(4.4)

d Tiêu hao điện năng riêng

Tiêu hao điện riêng được định nghĩa bằng chi phí tiêu hao điện năng để sản xuất được 1kg sản phẩm viên nén (Wh/kg sản phẩm) Trong quá trình thí nghiệm, sử dụng đồng hồ điện

3 pha Emic để xác định tổng điện năng tiêu hao cho toàn bộ quá trình (kWh) sau đó chia cho lượng sản phẩm tạo ra trong quá trình sản xuất viên nén Từ đó ta có thể tính được chi phí tiêu hao điện năng trong quá trình sản xuất viên nén đa nguyên liệu trên một kg sản phẩm viên nén, và có thể tính ra được lợi ích kinh tế khi sản xuất viên nén đa nguyên liệu nhầm góp phần tạo ra được nguồn nguyên liệu tái tạo trong tương lai

4.5 Các thiết bị đo và phương pháp đo

Thiết bị đo, phương pháp đo, các chỉ tiêu cần đo phải được đặc biệt quan tâm, vì chỉ có việc đo đúng, mới có thể xác định đúng được các thông số từ đó cho phép xây dựng được chế độ làm việc của máy ép viên

4.5.1 Dụng cụ đo khối lượng

Sử dụng cân đồng hồ Nhơn Hòa loại 20kg, loại 1kg, chỉ thị giá trị bằng kim và vạch hiển thi, dung sai  0,01g, cân tiểu ly Sartorius có độ chính xác 0,001 để đo khối lượng nguyên liệu đưa vào máy ép viên

4.5.2 Dụng cụ xác định kích thước hạt nguyên liệu

Kích thước hạt được xác định dưới giá trị đường kính trung bình (mm) thông qua bộ rây tiêu chuẩn mã hiệu E – 11 – 70 do USA sản xuất

Hình 4.4 Cân các loại sử dụng cân khối lượng nguyên liệu và sản phẩm và mẫu đó

Hình 4.5 Bộ rây dùng phân loại nguyên liệu

4.5.3 Dụng cụ đo độ ẩm của khối hạt

Sử dụng máy đo độ ẩm vật liệu rời mã hiệu MA45 của hãng Sartorius, CHLB Đức sản xuất năm 2006, dung sai đo là 0.01% Mẫu đo có khối lượng khoảng 10- 20g, đặt nhiệt độ theo nhiệt độ sấy cao nhất cho phép Cho mẫu vào máy và chờ đợi kết quả trên màn hình điện tử LCD

4.5.4 Dụng cụ đo công suất tiêu thụ điện của thiết bị sử dụng điện

Mục đích là xác định được tiêu thụ điện của thiết bị điện trong hệ thống thiết bị của mô hình thí nghiệm Trong số các thiết bị tiêu thụ khi có yêu cầu thay đổi số vòng quay của

mô tơ khuôn ép Đo chi phí tiêu thụ điện thông qua dụng cụ HIOKI 3286-20 của hãng HIOKI Nhật Bản sản xuất Dung cụ có thể đo dòng điện (I) 3 pha, đo hiệu điện thế (U) 3 pha, đo công suất tiêu thụ điện biểu kiến 3 pha và đo công suất tiêu thụ điện hiệu dụng 3

Hình 4.6 Máy đo độ ẩm Sartorius

Hình 4.7 Dụng cụ đo điện HIOKI 3286

pha Dung sai đo công suất là ± 0.001kW, dung sai hiệu điện thế là ± 0.1V, dung sai dòng điện là ± 0.01A Ngoài việc đo tiêu thụ điện bằng dụng cụ đo dòng vạn năng thì có thể đo tiêu thị điện thông qua điện kế đo tiêu thụ điện Chỉ số tiêu thụ trên máy ép được xác định bằng hiệu của chỉ số khi bắt đầu thực hiện thí nghiệm đến khi kết thúc Điện kế có thang

đo 1kW-200kW, độ chính xác 1/1000kW

4.5.5 Dụng cụ đo nhiệt độ thân máy ép viên

Để đo nhiệt độ của máy ép trong quá trình làm việc, kết hợp với quan sát chất lượng viên

ép Luân văn kết hợp sử hai loại dụng cụ đo nhiệt độ kiểu nhiệt kế thủy ngân của hãng Daewon, Korea sản xuất, có dung sai  0,5% Các dụng cụ này được dí sát vào vỏ khuôn máy ép để đo nhiệt độ Để đo thân nhiệt máy ép có thể sử dụng máy đo nhiệt độ hồng

Hình 4.8 Điện kế đo tiêu thụ điện va bảng điều khiển

Hình 4.9 Súng bắn nhiệt độ