Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị sản xuất bê tông dự lạnh năng suất 120m3/h dùng cho xây dựng đập bê tông khối lớn phần i

tóm tắt nội dung báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật đề tài Đáp ứng nhu cầu ngày một lớn của thực tiễn xây dựng các công trình hạ tầng cơ sở cho nền kinh tế, trong đó đặc biệt là các đập

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CƠ QUAN CHỦ QUẢN: BỘ CÔNG THƯƠNG

ĐỀ TÀI ĐỘC LẬP CẤP NHÀ NƯỚC

BÁO CÁO TỔNG HỢP

KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG THIẾT BỊ SẢN XUẤT BÊ TÔNG DỰ LẠNH NĂNG SUẤT 120 M3/H DÙNG CHO XÂY DỰNG ĐẬP BÊ TÔNG KHỐI LỚN

MÃ SỐ ĐỀ TÀI: ĐTĐL.2007 G/17

Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Máy và Dụng cụ công nghiệp

8948

HÀ NỘI - 2011

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CƠ QUAN CHỦ QUẢN: BỘ CÔNG THƯƠNG

ĐỀ TÀI ĐỘC LẬP CẤP NHÀ NƯỚC

BÁO CÁO TỔNG HỢP

KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG THIẾT BỊ SẢN XUẤT BÊ TÔNG DỰ LẠNH NĂNG SUẤT 120 M3/H DÙNG CHO XÂY DỰNG ĐẬP BÊ TÔNG KHỐI LỚN

danh sách những người thực hiện

chương mục Chủ nhiệm đề tài

Nguyễn Đức Minh Chủ nhiệm đề tài

PGS.TS I, II, IV, VI, VIII

Nguyễn Danh Tiến Nghiên cứu viên

ThS IV, V, VI, VII

Nguyễn Tuấn Anh Nghiên cứu viên

Viện IMI

Lê Hoàng Hải Nghiên cứu viên

Viện IMI

Viện IMI

tóm tắt nội dung báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật đề tài

Đáp ứng nhu cầu ngày một lớn của thực tiễn xây dựng các công trình hạ tầng cơ sở cho nền kinh tế, trong đó đặc biệt là các đập bê tông thủy công, thủy điện, căn cứ vào khả năng của đơn vị triển khai, năm 2007 Nhà nước đã giao cho Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp thực hiện đề tài độc lập “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị sản xuất bê tông dự lạnh năng suất 120 m3/h dùng cho xây dựng đập bê tông khối lớn” mã số

ĐTĐL.2007G/17 Mục tiêu hàng đầu của Đề tài là giúp cho các cơ sở nghiên cứu sản xuất trong nước làm chủ được thiết kế, công nghệ chế tạo hệ thống bê tông dự lạnh hiện đại phục

vụ cho xây dựng đập bê tông khối lớn Bản Báo cáo này sẽ cung cấp cho người đọc những kết quả thu được sau thời gian thực hiện và hoàn thành toàn bộ các nội dung, mục tiêu của

Đề tài Do khối lượng công việc của Đề tài khá lớn và đa dạng, bao gồm từ các khâu nghiên cứu tổng quan, nghiên cứu cơ sở công nghệ cho tới nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết

bị, nên để đảm bảo bám sát yêu cầu Đề tài, đồng thời giữ được một mạch logic nhất quán giữa các phần, vốn đã được xác lập trước trong nội dung thuyết minh đề tài, nên Báo cáo sẽ gồm các nội dung chính như sau:

Chương 1 Nghiên cứu tổng quan tình hình trong và ngoài nước; Khảo sát, nghiên cứu, đánh giá, so sánh các hệ thống thiết bị và công nghệ sản xuất bê tông dự lạnh trên các góc độ kỹ thuật, kinh tế, môi trường

Chương 2 Nghiên cứu công nghệ dự lạnh bê tông và cốt liệu xây dựng trên cơ sở sử dụng các chất tải lạnh khác nhau

Chương 3 Nghiên cứu các quá trình lắng lọc nước, khí nhiễm bẩn khi dùng làm lạnh vật liệu xây dựng dạng hạt

Chương 4 Xây dựng quy trình tính toán thiết kế hệ thống cho thiết bị sản xuất bê tông dự lạnh cỡ lớn

Chương 5 Nghiên cứu thiết kế hệ thống thiết bị sản xuất bê tông dự lạnh công suất 120 m3/h Chương 6 Nghiên cứu thiết kế một số thiết bị lạnh tiêu chuẩn dùng cho dự lạnh bê tông khối lớn

Chương 7 Chế tạo, lắp ráp và thử nghiệm hệ thống thiết bị sản xuất bê tông dự lạnh công suất 120 m3/h

Chương 8 Kết luận và Kiến nghị; Các Phụ lục và Tài liệu tham khảo Trong phần này, các

văn bản kỹ thuật như báo cáo chuyên đề, các bộ thiết kế, các bộ quy trình, các biên bản kiểm tra được trình bày đầy đủ

Do tính chất, mục tiêu của các hạng mục đề tài rất khác nhau, và khối lượng nghiên cứu thiết kế khá lớn, nên phương pháp trình bày và nội dung trình bày của các chương cũng khác nhau, và thường được đưa ra dưới dạng ngắn gọn, tập trung trình bày các nét chính, các chi tiết tiêu biểu, ít đưa ra các tính toán phân tích quá tỷ mỷ Trong trường hợp cần tìm hiểu

đầy đủ hơn, người đọc có thể xem tại phần các phụ lục, hoặc tài liệu tham khảo Ngoài ra, đề tài cũng có một bộ các ảnh chụp, video clip phục vụ cho nắm bắt kỹ hơn những hình thức, phương pháp, nội dung và kết quả thực hiện của đề tài

mục lục

ắ quyển 1: (gồm 5 Chương: từ Chương 1 đến hết Chương 5)

chương 1 tổng quan đề tài; Khảo sát, nghiên cứu, đánh giá, so sánh

các hệ thống thiết bị và công nghệ sản xuất bê tông dự

lạnh trên các góc độ kỹ thuật, kinh tế, môi trường

1.3 Khảo sát các công nghệ & thiết bị bê tông dự lạnh 7

1.4 So sánh, đánh giá các hệ thống thiết bị & công nghệ bê tông dự lạnh 12

chương 2 nghiên cứu công nghệ dự lạnh bê tông và cốt liệu xây

dựng trên cơ sở sử dụng các chất tải lạnh khác nhau

2.1 Khái quát về các quá trình trao đổi nhiệt và các dạng thiết bị dùng cho dự

lạnh bê tông

17

2.2 Nghiên cứu, xác định các thông số nhiệt, vật lý đặc trưng của các vật liệu

dạng hạt dùng cho sản xuất bê tông thông dụng tại Việt nam

20

2.3 Nghiên cứu, xác định các thông số dòng chảy của nước, không khí qua

khối vật liệu dạng hạt và các yếu tố ảnh hưởng

khi dùng làm lạnh vật liệu xây dựng dạng hạt

3.1 Khảo sát, nghiên cứu độ nhiễm bẩn nước làm lạnh vật liệu xây dựng dạng hạt 83

3.2 Nghiên cứu, đề xuất phương pháp, công nghệ và thiết bị lắng lọc 85

chương 4 Xây dựng quy trình tính toán thiết kế hệ thống cho

thiết bị sản xuất bê tông dự lạnh cỡ lớn

4.1 Nghiên cứu, phân tích nhiệm vụ thiết kế hệ thống thiết bị sản xuất bê tông

dự lạnh

111

4.2 Tính toán xác định nhu cầu nhiệt lạnh, chọn lựa công nghệ, tính chọn thiết

chuyên dụng cho trạm bê tông dự lạnh ; máy sản xuất đá vảy/đá mảnh

chuẩn dùng cho dự lạnh bê tông khối lớn

6.1 Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy sản xuất nước lạnh chuyên dụng cho trạm

trộn bê tông dự lạnh công suất lạnh 250 RT (chiller)

200 6.2 Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy sản xuất đá vảy/đá mảnh 20 Tấn/24h 242

chương 7 Chế tạo, lắp ráp và thử nghiệm hệ thống thiết bị sản

xuất bê tông dự lạnh năng suất 120 m3/h

7.1 Đặc điểm quy trình công nghệ chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm một số thiết bị

điển hình

282

7.2 Mét sè h×nh ¶nh chÕ t¹o, l¾p r¸p vµ thö nghiÖm mét sè côm thiÕt bÞ chÝnh 332 7.3 L¾p r¸p, ch¹y thö nghiÖm tæng thÓ toµn hÖ thèng 342 7.4 §¸nh gi¸ kÕt qu¶ ch¹y thö nghiÖm vµ chÊt l−îng toµn hÖ thèng 354

ch−¬ng 8 kÕt luËn vµ kiÕn nghÞ

bảng ký hiệu

a Hệ số dẫn nhiệt độ (temperature diffusibility) m2/s

B Bề rộng cơ cấu, thiết bị (băng tải, xích ) m

COP Hệ số hiệu quả (Coefficient Of Performance, - tỷ số

công suất lạnh sản ra trên công suất điện tiêu thụ)

-

D Đường kính (hạt, trục, chi tiết máy, thiết bị) m

η Hiệu suất (động cơ, bộ truyền động, thiết bị, quá trình) -

L Chiều dài thiết bị; Kích thước hình học đặc trưng dòng chảy m

n Tốc độ (động cơ, trục) rpm, v/ph

TS Tổng lượng chất rắn trong nước (ô nhiễm) mg/ℓ

lời mở đầu

Đây là đề tài độc lập, được Nhà nước giao trực tiếp để bắt đầu thực hiện từ giữa năm

2007 theo Quyết định số848/QĐ-BKHCN ngày 24 tháng 5 năm 2007 và các Phụ lục kèm theo, kinh phí sử dụng nguồn vốn ngân sách Nhà nước và nguồn vốn đối ứng từ đơn vị thực hiện đề tài là Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp

Các thông tin chính liên quan tới đề tài như sau:

1 Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị sản xuất bê tông dự lạnh năng suất 120 m3/h dùng cho xây dựng đập bê tông khối lớn

Chức danh khoa học: Phó chủ tịch Hội đồng Khoa học kỹ thuật Viện IMI

Điện thoại: 04 3835 1006 (CQ) / 04 3846 0095 (NR) Fax: 04 3834 4975

Mobile: 090 3439 069

Email: cetec@imi-holding.com

Địa chỉ cơ quan: 46 Láng Hạ - Đống Đa – Hà Nội

Địa chỉ nhà riêng: 238 Kim Max – Ba Đình – Hà Nội

7 Cơ quan chủ trì đề tài:

Tên tổ chức KH&CN: CT TNHH MTT Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp

Điện thoại: 04 3835 1009/04 3835 1010 Fax: 04 3834 4975

Email : imi@hn.vnn.vn

Địa chỉ: 46 Láng Hạ - Đống Đa – Hà Nội

Căn cứ theo Hợp đồng số 17/2007/HĐ-ĐTĐL ký ngày 27 tháng 12 năm 2007 giữa bên A

là Bộ Khoa học và Công nghệ và bên B là Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp, theo nội dung của hợp đồng, bên B sẽ phải hoàn thành các sản phẩm khoa học công nghệ sau:

Thiết bị máy móc: Hoàn thành thiết kế và chế tạo 01 hệ thống thiết bị sản xuất bê tông dự

lạnh công suất 120 m3/h, bao gồm nội dung nh− sau:

tự động các loại liệu tiêu chuẩn:

1.7 Hệ thống vận chuyển, định lượng tro bay có độ

điều khiển toàn bộ các thiết bị trạm trộn

1.10/1 Công suất danh nghĩa thiết bị tối đa 120 m3/h

1.10/3 Nhiệt độ môi trường hoạt động:

- Max

- Max trung bình

38oC

34 oC

chuÈn ACI 207.5 R-89 (USA):

1.10/7 CÊp phèi bª t«ng CVC, m¸c M300, lÊy trung

b×nh theo tiªu chuÈn ngµnh 14 TCN 64/65-2002

1.10/9 Tiªu thô n−íc s¹ch lµm l¹nh bª t«ng 0,5÷0,8 m3/m3

Tài liệu:

+ Các Báo cáo khoa học kỹ thuật chuyên đề

+ Các Bộ bản vẽ thiết kế kỹ thuật và chi tiết

+ Các Bộ quy trình sản xuất, lắp ráp và thử nghiệm

+ Các Phần mềm điều khiển tự động, quản lý sản xuất

+ Các Hướng dẫn lắp đặt, sử dụng, lý lich thiết bị

+ Các Báo cáo định kỳ, Báo cáo tóm tắt, Báo cáo tổng kết đề tài

Toàn bộ bản Báo cáo này sẽ lần lượt trình bày các nội dung đã được thực hiện trong quá trình triển khai đề tài

Nhóm đề tài rất mong muốn và xin cảm ơn những phê bình, đóng góp quý báu của các nhà khoa học, các nhà quản lý vào các nội dung của Báo cáo sau khi đọc bản tổng kết này

c¸c néi dung chÝnh

chương 1 tổng quan đề tài Khảo sát, nghiên cứu, đánh giá, so sánh các hệ thống thiết bị và công nghệ sản xuất bê tông dự lạnh trên các

góc độ kỹ thuật, kinh tế, môi trường

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2 Mục tiêu và phạm vi đề tài

1.3 Khảo sát các công nghệ & thiết bị bê tông dự lạnh

1.4 So sánh, đánh giá các hệ thống thiết bị & công nghệ bê tông dự lạnh

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Nhu cầu sử dụng bê tông dự lạnh

]Thi công 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 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 (xem các hình 1.1 và 1.2), 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 (theo [2], [3]), 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 oC, mô đun

độ chênh nhiệt độ giữa các điểm trong khối bê tông MT không quá 50 oC/m (theo TCXDVN 305-2004 về quy phạm thi công và nghiệm thu bê tông khối lớn [4])

Trên cơ sở các phân tích vừa nêu, rõ ràng việc sử dụng các thiết bị tự động sản xuất bê tông 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 xây dựng công trình

1.1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu công nghệ, thiết bị bê tông dự lạnh

1.1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Cho tới nay, công nghệ sản xuất bê tông 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 phát điện 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 Một cấu hình điển hình được mô tả trên hình 1.3 ([7]) Đây là cấu hình đầy đủ khi làm lạnh bê tông bằng nước lạnh 1-5oC và đá vảy, đá mảnh 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, đá mảnh, chỉ dùng nước lạnh, hoặc thậm chí chỉ làm lạnh cốt liệu thô trên silô hay

Hình 1.1 Phân bố nhiệt độ (độ C) đập bê

tông xi măng+tro bay có thể tích đổ

3000 m3, cao 10 m, xác định bằng

phương pháp lưới phần tử hữu hạn, sau

14 ngày thi công (theo [1])

Hình 1.2 Phân bố ứng suất chính (MPa)

đập bê tông xi măng+tro bay có thể tích

đổ 3000 m3, cao 10 m, xác định bằng phương pháp lưới phần tử hữu hạn, sau

14 ngày thi công (theo [1])

- 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

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị sản xuất bê tông dự lạnh

môi trường trung bình 20-30 C), khắc nghiệt (nhiệt độ môi trường trung bình

31-35oC) hoặc cực kỳ khắc nghiệt (nhiệt độ môi trường trung bình trên 35oC)

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, đá mảnh, 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 khoảng 5 đến 10 năm gần đây, tỏ ra có nhiều hứa hẹn trong sản xuất, đáp ứng được các yêu cầu cao nhất về của công nghệ như đạt độ lạnh sâu, không gây ảnh hưởng tới hàm lượng nước cũng như chất lượng bê tông, đòi hỏi diện tích và thời gian xây lắp nhỏ nhất Tuy nhiên, giá thành của phương pháp này lại cao, một phần do hiệu suất trao đổi nhiệt thấp của quá trình làm lạnh (nitơ lạnh ở pha lỏng+khí với vữa bê tông ở pha rắn+lỏng), nhưng chủ yếu là do giá thành nitơ lỏng rất cao ở những nơi khí công nghiệp chưa được sản xuất và sử dụng rộng rãi Do vậy, chính các hãng khí công nghiệp lớn như Linde AG (CHLB Đức), Air Liquide (USA) lại

là những hãng sở hữu các patent và hệ thống công nghệ, thiết bị làm lạnh bê tông bằng nitơ lỏng có giá trị thực tiễn đầu tiên trên thế giới như LIN, Cryocrete ([9])

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 m /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,

đá mảnh, thiết bị sản xuất nước lạnh (chiller) hoặc không khí lạnh

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, máy đá mảnh ), nhóm các thiết bị trao đổi nhiệt (làm lạnh đá cốt liệu thô trước khi trộn bê tông), thiết bị phụ trợ (vận chuyển, dự trữ, cân định lượng nước lạnh hoặc đá vảy, đá mảnh ) 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 Cho tới nay, các biên pháp chính cho nâng cao hiệu suất hệ thống là:

• Tăng cường hiệu suất trao đổi nhiệt bằng cách tăng cường độ trao đổi nhiệt: tăng hiệu nhiệt độ chất làm lạnh-vật liệu cần làm lạnh, tăng tốc độ tương đối giữa chất làm lạnh-vật liệu cần làm lạnh Nhờ vậy, thời gian làm lạnh giảm, lượng nhiệt lạnh thất thoát theo thời gian giảm Theo hướng này, nhiều hãng đã phát triển các hệ thống làm lạnh cốt liệu

bê tông bằng nước đá có nhiệt độ dưới 1oC trên hệ thống băng tải liệu thay vì dùng nước lạnh có nhiệt độ 5-7oC như truyền thống

• Giảm tổn hao nhiệt lạnh nhờ thiết kế kết cấu hợp lý, chọn lựa và sử dụng vật liệu cách nhiệt phù hợp yêu cầu

• Cân đối hài hoà giữa công suất máy lắp đặt với công suất biểu kiến, là công suất lạnh có tính cả phần công suất dự trữ (trong bể nước lạnh dự trữ, kho đá vảy, đá mảnh ) Đôi khi, chi phí đầu tư ban đầu thậm chí còn nhỏ hơn hao phí trên hệ thống vận hành có phần công suất dự trữ quá lớn

• Sử dụng hợp lý, tiết kiệm chất làm lạnh, đặc biệt nước lạnh, nhờ hệ thống thiết bị lắng lọc tốt sẽ mang lại một giá trị kinh tế không nhỏ Đây là một bài toán luôn để ngỏ cho bất kỳ nhà chế tạo nào, tuỳ theo yêu cầu độ lạnh, khả năng đầu tư, điều kiện hiện trường Ngoài ra, nó cũng mang lại lợi ích chung về môi trường

• Đầu tư nghiên cứu, hoàn thiện các công nghệ mới: nitơ lỏng, khí lạnh, làm lạnh cốt liệu hạt mịn, sử dụng nước ngầm như là một nguồn nước lạnh có sẵn, phối hợp các biện pháp

xử lý sớm khối cốt liệu như làm và giữ mát trong các kho trữ có kích thước đủ lớn, trong thời gian 3-4 ngày nhằm đảm bảo nhiệt độ ban đầu của liệu không vượt quá ngưỡng 26-

28oC

1.1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Xuất phát từ nhu cầu phát triển của ngành xây dựng công trình, đặc biệt là công trình thuỷ điện, thuỷ lợi, mãi tới gần đây, vào những năm đầu thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 21 này, những trạm bê tông dự lạnh đầu tiên mới được nhập khẩu và đưa vào sử dụng tại một vài công trình trọng điểm Nắm bắt xu hướng thị trường, một vài đơn vị như Viện Máy và Dụng

cụ công nghiệp, Công ty cổ phần xây dựng và Thiết bị Công nghiệp (CIE) đã là những đơn

vị đầu tiên, với vị thế là những cơ sở nghiên cứu, chế tạo và cung cấp hàng đầu các trạm trộn

bê tông truyền thống, đã có những bước đi đầu tiên trong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng công nghệ và thiết bị sản xuất bê tông dự lạnh công suất nhỏ và trung bình, trên cơ sở áp dụng các công nghệ và thiết bị dự lạnh bê tông thông dụng như làm lạnh cốt liệu, cấp phối bê tông bằng nước lạnh do chiller thông thường (dùng cho điều hoà không khí) cung cấp

Mặc dù vậy, phải nói cho tới trước khi đề tài này được đề xuất và triển khai, việc nghiên cứu phát triển công nghệ và thiết bị sản xuất bê tông dự lạnh trong nước hầu như chưa được tiến hành một cách toàn diện, đồng bộ Hàng loạt vấn đề chưa được đề cập và giải quyết thấu đáo: các bài toán về cơ sở công nghệ dự lạnh (xác định các thông số nhiệt cơ của vật liệu sản suất bê tông, các quá trình trao đổi nhiệt, dòng chảy liên quan tới quá trình làm lạnh hỗn hợp bê tông), thiết kế tích hợp hệ thống thiết bị (giữa các thiết bị nguồn lạnh như chiller, máy đá vảy với các thiết bị làm lạnh vật liệu rời hoặc hỗn hợp bê tông), tính toán

chọn lựa hoặc thiết kế chế tạo các thiết bị nguồn lạnh, thiết bị làm lạnh vật liệu rời hoặc hỗn hợp bê tông, giải quyết các bài toán tối ưu, hợp lý hoá về công suất lạnh tiêu thụ, về đảm bảo môi trường

Tuy nhiên, với sự phát triển của ngành thiết bị lạnh Việt nam nói chung hiện nay, đã

có những tiền đề khả quan cho sự phát triển của những hệ thống sản xuất bê tông dự lạnh cỡ lớn, đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật khắt khe mà ngành xây dựng công trình đang đề ra ngày một cao

1.2 Mục tiêu và phạm vi đề tài

Trên cơ sở những phân tích trên, Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp đề xuất những mục tiêu, phạm vi nghiên cứu của đề tài như sau :

1 Nắm vững thiết kế, công nghệ chế tạo hệ thống thiết bị bê tông dự lạnh; xây dựng cơ sở công nghệ cho thiết kế hệ thống bê tông lạnh đảm bảo độ lạnh yêu cầu và chất lượng bê tông, đồng thời tối ưu hoá các quá trình trao đổi nhiệt, tiết kiệm năng lượng lạnh cũng như các hao phí tài nguyên liên quan như nước sạch, hoá chất xử lý nước, đảm bảo môi trường

2 Thiết kế chế tạo và đưa vào vận hành 01 hệ thống thiết bị sản xuất bê tông dự lạnh công suất 120 m3/h để sản xuất bê tông lạnh dùng cho xây dựng đập bê tông khối lớn, đảm bảo các yêu cầu công nghệ bê tông dùng cho đập khối lớn: nhiệt độ bê tông sau khi trộn 8-15oC, đáp ứng yêu cầu các loại bê tông thường (CVC) và bê tông đầm lăn (RCC)

3 Góp phần đảm bảo chất lượng, tiến độ thi công các công trình thuỷ điện trọng điểm quốc gia, các đập nước lớn Thay thế thiết bị nhập ngoại đắt tiền, giảm chi phí đầu tư cho xây dựng cơ bản các công trình trọng điểm

4 Nâng cao năng lực chế tạo thiết bị cơ điện tử cỡ lớn của ngành cơ khí theo hướng công nghệ cao, tiến tới xuất khẩu sản phẩm

5 Thúc đẩy phát triển các ngành liên quan: thiết bị lạnh công nghiệp công suất lớn

6 Tiến tới xây dựng, phát triển sản phẩm đề tài trở thành sản phẩm trọng điểm quốc gia 1.3 Khảo sát các công nghệ & thiết bị bê tông dự lạnh

1.3.1 Mục tiêu và yêu cầu

1.3.1.1 Mục tiêu của khảo sát các trạm, hệ thống thiết bị sản xuất bê tông dự lạnh là tìm hiểu, thu thập cơ sở, số liệu thực tiễn, bao gồm các mặt thiết bị, công nghệ và điều kiện ứng dụng, cho quá trình nghiên cứu thiết kế của đề tài, đặc biệt cho nhiệm vụ xây dựng quy trình tính toán, lựa chọn công nghệ làm lạnh, thiết kế hệ thống cho thiết bị sản xuất bê tông lạnh

công suất lớn trong điều kiện Việt Nam, xây dựng được cơ sở công nghệ cho thiết kế hệ thống bê tông lạnh đảm bảo độ lạnh yêu cầu, chất lượng bê tông, đồng thời tối ưu hoá các quá trình trao đổi nhiệt, tiết kiệm năng lượng lạnh cũng như các hao phí tài nguyên liên quan như nước sạch, hoá chất xử lý nước, đảm bảo môi trường…

1.3.1.2 Yêu cầu: cần xác định các yếu tố, thông số sau đây:

• Cỡ, công suất hệ thống thiết bị là thông số hàng đầu, quyết định quy mô, định hướng đầu tư, thiết kế hệ thống

• Dạng bê tông dự lạnh: đây là một thông số có tính quyết định tới cấu trúc hệ thống thiết

bị, phương pháp dự lạnh Chẳng hạn, với bê tông thường, nhiệt độ dự lạnh thấp và trung bình, chỉ cần dung đá vảy, trong khi đó, bê tông đầm lăn buộc phải dùng phối hợp với làm lạnh trước cốt liệu thô do hàm lượng nước thấp…

• Nhiệt độ dự lạnh: bên cạnh vai trò tương tự như vai trò của dạng bê tông, nó là thông số chính để xác định tổng công suất lạnh của hệ thống Được xác định trên cơ sở yêu cầu nhiệt độ bê tông tại khối đổ, nhiệt độ môi trường, phương pháp và cự ly vận chuyển hỗn hợp bê tông sau dự lạnh…

• Phương pháp và thiết bị dự lạnh bê tông: là một lựa chọn hệ quả của các yếu tố trên, nó còn có ý nghĩa về mặt triển khai công nghệ (thời gian thi công, mặt bằng…), giá thành, tác động môi trường…

• Nguồn lạnh: có vai trò quyết định tới tuổi bền, độ tin cậy hệ thống, đồng thời cũng quyết

định giá thành hệ thống

• Thiết bị phụ trợ chính: có tác dụng phối hợp với thiết bị chính là nguồn lạnh, có ý nghĩa lớn tới sự hoạt động ổn định của toàn hệ thống, cũng là một yếu tố quan trọng xác định giá thành hệ thống

Các thông số, yếu tố vừa nêu, về cơ bản phụ thuộc vào yêu cầu công nghệ bê tông (nhiệt

độ tại khối đổ, quy cách khối đổ cho ngày/tháng/mùa…), còn phụ thuộc đáng kể vào hệ thống dây chuyền cung cấp nguyên vật liệu, hệ thống vận chuyển sản phẩm bê tông, điều kiện và môi trường thi công…

1.3.2 Khảo sát các công nghệ & thiết bị bê tông dự lạnh

1.3.2.1 Các trạm bê tông dự lạnh đang hoạt động trong nước ([8])

1.3.2.1.1 Trạm bê tông dự lạnh công suất nhỏ 80 m3/h của IMI Holding thiết kế chế tạo năm 2006-2007, hiện đang hoạt động tại công trường thuỷ điện Sơn la

• Dạng bê tông dự lạnh: CVC và RCC

• Nhiệt độ dự lạnh: ≤ 25oC

• Phương pháp và thiết bị dự lạnh: làm lạnh cốt liệu thô (đá dăm các cỡ) trên phễu chứa và cấp liệu bằng nước lạnh 7oC

• Nguồn lạnh: chiller dân dụng (Air Conditioning Chiller-AC Chiller) của hãng Carrier, tổng công suất lạnh 720 m3 nước lạnh 7oC mỗi ngày đêm ( tương đương 380 RT)

• Thiết bị phụ trợ chính cho hệ thống dự lạnh: phễu làm lạnh liệu, sàng tách nước, bể trữ và lắng lọc nước lạnh sau làm lạnh đá dăm, hệ thống bơm và dàn phun cấp và thu hồi nước lạnh Do IMI thiết kế chế tạo lắp đặt toàn bộ

1.3.2.1.2 Trạm bê tông dự lạnh công suất nhỏ 120 m3/h của IMI Holding thiết kế chế tạo năm 2006-2007, hiện đang hoạt động tại công trường thuỷ điện Sơn la

1.3.2.1.3 Trạm bê tông dự lạnh công suất nhỏ 120 m3/h của Công ty cổ phần xây dựng và thiết bị công nghiệp (CIE JSC) thiết kế chế tạo năm 2006-2007, hiện đang hoạt động tại công trường thuỷ điện Sơn la

1.3.2.1.4 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

• Thiết bị phụ trợ chính cho hệ thống dự lạnh: kho đá vảy có trang bị hệ thống bảo ôn tự

động, hệ thống cời và cấp đá vảy tự động, vít tải đá vảy, cân định lượng đá vảy Do Phân viện IMI thiết kế chế tạo lắp đặt một phần, nhập khẩu một phần (kho và hệ thống cời cấp

đá vảy)

1.3.2.1.5 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 san3 năm 2004, hiện đang hoạt động tại công trình thuỷ điện Bản Vẽ

• Thiết bị phụ trợ chính cho hệ thống dự lạnh: băng tải làm lạnh liệu, sàng tách nước, bể trữ và lắng lọc nước lạnh sau làm lạnh đá dăm, hệ thống bơm và dàn phun cấp và thu hồi nước lạnh, kho đá vảy có trang bị hệ thống bảo ôn tự động, hệ thống cời và cấp đá vảy tự

động, vít tải đá vảy, cân định lượng đá vảy Thiết bị do Hansa cung cấp đồng bộ

1.3.2.1.6 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: ≤ 18oC

• 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 4oC, có đá vảy nhiệt độ -5oC dùng

cho dự phòng

• Nguồn lạnh: thiết bị sản xuất đá vảy của hãng Scotsman, I-Chiller của hãng Grasso (GEA), tổng công suất lạnh 1000 m3 nước lạnh 4oC và 40 tấn đá vảy mỗi ngày đêm các thiết bị lạnh được Hansa tổ hợp thành các mô đun hoàn chỉnh cho sản xuất đá vảy (CFPX), sản xuất nước lạnh (CWPS)

• Thiết bị phụ trợ chính cho hệ thống dự lạnh: băng tải làm lạnh liệu, sàng tách nước, bể trữ và lắng lọc nước lạnh sau làm lạnh đá dăm, hệ thống bơm và dàn phun cấp và thu hồi nước lạnh, kho đá vảy có trang bị hệ thống bảo ôn tự động, hệ thống cời và cấp đá vảy tự

động, vít tải đá vảy, cân định lượng đá vảy Một phần do Việt nam (COMA) chế tạo lắp

đặt theo thiết kế của Hansa, một phần nhập đồng bộ của Hansa

• Thiết bị phụ trợ chính cho hệ thống dự lạnh: băng tải làm lạnh liệu, sàng tách nước, bể trữ và lắng lọc nước lạnh sau làm lạnh đá dăm, hệ thống bơm và dàn phun cấp và thu hồi nước lạnh, kho đá vảy có trang bị hệ thống bảo ôn tự động, hệ thống cời và cấp đá vảy tự

động, vít tải đá vảy, cân định lượng đá vảy Do KTI thiết kế chế tạo thiết bị toàn bộ 1.3.2.2.2 Hệ thống sản xuất bê tông dự lạnh công suất 250 m3/h của (Trung Quốc), thiết kế chế tạo và cung cấp lắp đặt từ 2006 tại công trình xây dựng đập thuỷ điện Tứ lâm, tỉnh Quý châu, Trung Quốc

• Dạng bê tông dự lạnh: RCC

• Nhiệt độ dự lạnh tại khối đổ: 220C

• Phương pháp và thiết bị dự lạnh: làm lạnh cốt liệu trên phễu liệu bằng hai cấp khí lạnh, phối hợp đồng thời làm lạnh hỗn hợp bê tông bằng cấp phối nước lạnh 7oC

• Nguồn lạnh chính: các loại chiller sản xuất nước lạnh và khí lạnh của công ty Yantai Moon Co., Ltd – Trung quốc

• Thiết bị phụ trợ chính cho hệ thống dự lạnh: hai cấp phễu làm lạnh cốt liệu bằng khí lạnh, thiết bị lọc khí sau làm lạnh, hệ thống quạt hút và cấp khí lạnh vào ra các phễu làm lạnh cốt liệu

1.3.2.2.3 Một số trạm, hệ thống sản xuất bê tông dự lạnh ứng dụng công nghệ nitơ lỏng có công suất 120ữ240 m3/h (được lắp đặt tại một số nước châu Âu và Bắc Mỹ):

• Dạng bê tông dự lạnh: RCC và CVC

• Nhiệt độ dự lạnh: ≤ 8ữ10oC

• Phương pháp và thiết bị dự lạnh: làm lạnh cốt liệu thô trên phễu liệu bằng phun nitơ thể lỏng/khí nhiệt độ thấp; làm lạnh nước cấp phối tới 0,5ữ1oC trong bình trao đổi nhiệt với chất làm lạnh là nitơ lỏng; làm lạnh hỗn hợp bê tông bằng trực tiếp phun nitơ lỏng

• Nguồn lạnh: nitơ lỏng công nghiệp do các hãng Linde (CHLB Đức), Air Liquide Industrial (Mỹ), được vận chuyển bằng xe bồn chuyên dụng và tồn trữ trong các bồn chứa chân không dung tích lớn (dewars) tại công trình xây dựng

• Thiết bị phụ trợ chính cho hệ thống dự lạnh: các thiết bị rút và phân phối nitơ lỏng

1.4 So sánh, đánh giá các hệ thống thiết bị & công nghệ bê tông dự lạnh

Nhằm so sánh, đánh giá một cách chuẩn xác ưu nhược điểm của các dạng công nghệ, thiết bị dự lạnh khác nhau, nhóm đề tài đề xuất và xây dựng một loạt các chỉ tiêu chất lượng dưới đây, với các mức đánh giá :Rất cao (RC), cao (C), trung bình (TB), thấp (TH) và bằng không (K) Trên cơ sở này, một bảng thống kê các loại, kiểu thiết bị, các dạng công nghệ dự lạnh sẽ được lập và có tác dụng như một tài liệu tham khảo định hướng cho các nhà đầu tư, nhà quản lý doanh nghiệp, các nhà thiết kế hệ thống…trong việc lựa chọn giải pháp tối ưu cho bài toán cụ thể của họ Xuất phát điểm phân tích là ngành công nghiệp xây dựng và chế tạo thiết bị Việt nam

1.4.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật, thiết bị và công nghệ

1.4.1.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật, công nghệ (ảnh hưởng tới chất lượng, sản lượng bê

tông dự lạnh)

i Xu hướng biến động tỷ lệ cấp phối và độ sụt của bê tông sau dự lạnh:

Nhằm đánh giá ảnh hưởng của công nghệ làm lạnh tới hàm lượng nước, chính xác hơn là tỷ lệ nước/xi măng trong cấp phối bê tông cho trước

ii Khả năng đồng đều cấp phối trong mẻ trộn:

Nhằm xác định ảnh hưởng công nghệ làm lạnh tới quá trình trộn đều của các thành phần cấp phối

iii Độ đồng đều nhiệt độ hỗn hợp bê tông:

Nhằm đánh giá khả năng phân phối nhiệt lạnh của hệ thống lạnh tới mẻ trộn, từ

đó còn gián tiếp tác động tới sự đồng đều của mẻ trộn

iv Khả năng dự lạnh:

Là nhiệt độ dự lạnh danh định của hệ thống

v Xu hướng thay đổi thời gian công nghệ, thời gian trộn (giảm năng suất toàn hệ thống):

Xác định độ giảm năng suất hệ thống sản xuất bê tông dưới tác động của quá trình làm lạnh cốt liệu hoặc hỗn hợp

1.4.1.2 Các chỉ tiêu thiết bị

vi Thời gian xây dựng, thiết kế và triển khai hệ thống tại hiện trường

vii Tuổi bền các cụm thiết bị chính

viii Mức độ tự động hoá

1.4.2 Các chỉ tiêu kinh tế

ix Suất đầu tư ban đầu:

Bao gồm tổng chi phí thiết bị, vận chuyển , lắp đặt và chuyển giao công nghệ, đưa vào sản xuất của toàn hệ thống, quy cho đơn vị sản phẩm là mét khối bê tông lạnh

x Chi phí sản xuất cho dự lạnh cho một mét khối bê tông:

Bao gồm tổng chi phí năng lượng, nguyên liệu (nước, hoá chất, môi chất lạnh ), vật tư thay thế, công vận hành sửa chữa bảo trì

xi Chi phí tổng hợp:

Tổng của suất đầu tư ban đầu và chi phí sản xuất

xii Khả năng và tỷ lệ nội địa hoá thiết bị:

Thông số đánh giá khả năng thay thế, chế tạo từng phần thiết bị tại chỗ, giảm tỷ

lệ nhập khẩu

1.4.3 Các chỉ tiêu môi trường

xiii Mức độ tiết kiệm tài nguyên nước:

Tỷ lệ nghịch với chi phí nước sạch trên mét khối bê tông dự lạnh

xiv Mức độ tiết kiệm năng lượng:

Được tính bằng chi phí điện năng trên mét khối bê tông dự lạnh

xv Mức độ gây ô nhiễm nguồn nước:

Tỷ lệ với tích của chi phí nước sạch trên mét khối bê tông dự lạnh và độ nhiễm bẩn nước (tính theo phần nghìn khối lượng ‰)

xvi Mức độ gây ô nhiễm không khí:

Tỷ lệ với tích của chi phí khí sạch trên mét khối bê tông dự lạnh và độ nhiễm bẩn không khí (tính theo phần nghìn khối lượng ‰)

1.4.4 So sánh đánh giá các hệ thống thiết bị, công nghệ

1.4.4.1 Đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật, công nghệ và thiết bị cho các dạng hình công nghệ hiện đang được sử dụng trong và ngoài nước:

Trên cơ sở các số liệu quan sát, khảo sát, phân tích, đồng thời dựa trên kinh nghiệm

sử dụng, nhóm đề tài đưa ra bảng đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật, thiết bị và công nghệ cho hầu hết các dạng hệ thống dự lạnh hiện có trong nước và trên thé giới (xem bảng 1.1)

Nhận xét:

a) Các cột đánh dấu (-) là các chỉ tiêu "tiêu cực": mức độ càng cao ảnh hưởng xấu tới chất lượng hệ thống càng lớn

b) Các phương pháp nêu trên đều dùng nước lạnh 1ữ7oC để cấp phối bê tông

c) Giữ mát, chống nhiệt môi trường xâm nhập cốt liệu (cát, đá dăm các cỡ) trong các kho trữ đủ lớn, trong thời gian 2ữ4 ngày trước khi sử dụng, đảm bảo

∑

=

= xvi

i N N

Q (1.1)

Trong đó q N là các chỉ tiêu từ thứ i tới thứ xvi, mỗi chỉ tiêu lấy các giá trị như trong Bảng 1.1, giá trị có dấu âm nếu cột tương ứng có dấu (-), theo Bảng 1.2 Bằng cách này, có thể so sánh các công nghệ, hệ thống dự lạnh bê tông một cách dễ dàng, nhanh chóng, đồng thời có tính bao quát cao

Bảng 1.2 Quy đổi mức đánh giá

ta thấy rõ hạn chế của việc chỉ sử dụng một chỉ số Q TH , vì nó chưa giúp người dùng có thể

chọn được công nghệ tốt nhất theo một số chỉ tiêu quan trọng nhất đối với họ

• Để thuận tiện, chính xác hơn trong so sánh chọn lựa công nghệ và thiết bị, có thể đưa ra các chỉ tiêu tổng hợp có hiệu chính theo một vài mục tiêu thiết yếu nào đó đáp ứng yêu cầu cụ thể của từng hệ thống, chẳng hạn chỉ tiêu hiệu chính theo nhiệt độ dự lạnh QTH/T, theo chi phí tổng hợp QTH/C Ví dụ, có thể xác định chỉ tiêu QTH/C như sau:

xi TH C

chương 2

nghiên cứu công nghệ dự lạnh bê tông, cốt liệu xâydựng trên cơ sở sử dụng các chất tải lạnh khác nhau

2.1 Khái quát về các quá trình trao đổi nhiệt, vận chuyển chất trong các thiết

bị dùng cho dự lạnh bê tông

2.2 Nghiên cứu, xác định các thông số nhiệt, vật lý đặc trưng của các vật liệu

dạng hạt dùng cho sản xuất bê tông thông dụng tại Việt nam

2.3 Nghiên cứu, xác định các thông số dòng chảy của nước, không khí qua

khối vật liệu dạng hạt và các yếu tố ảnh hưởng

2.4 Nghiên cứu quá trình làm lạnh khối vật liệu xây dựng dạng hạt với các

chất tải lạnh khác nhau

2.1 Khái quát về các quá trình trao đổi nhiệt, vận chuyển chất trong dự lạnh

2.1.1 Dự lạnh các phối liệu trước khi trộn bê tông

Đây là dạng dự lạnh chủ yếu được sử dụng rộng rãi trong mọi công nghệ dự lạnh bê tông

2.1.1.1 Dự lạnh cốt liệu thô

Cốt liệu thô được dự lạnh ở trạng thái đổ đống (bulking), trong phễu, silô, trên băng tải Có các quá trình cơ nhiệt chính sau trong khối cốt liệu:

i Truyền nhiệt đối lưu giữa dòng chất tải lạnh (nước/không khí lạnh) với các hạt cốt liệu

Đây là một trong những dạng trao đổi nhiệt quan trọng nhất, quyết định tới chất lượng quá trình dự lạnh cốt liệu (thời gian, sự đồng đều, hiệu suất) Đây là bài toán cần được nghiên cứu kỹ vì hiện hầu như chưa có tài liệu khoa học kỹ thuật nào đề cập tới một cách

rõ ràng

ii Truyền dẫn nhiệt trong mỗi hạt cốt liệu Cũng có vai trò quan trọng như dạng trên, ảnh hưởng nhiều tới thời gian dự lạnh Để giải được bài toán i cần phân tích kết hợp với nội dung này

iii Truyền dẫn nhiệt giữa các hạt cốt liệu Do nhiệt trở tiếp xúc giữa các hạt khá lớn, nhiệt

độ các hạt kề nhau xấp xỉ bằng nhau, nên dạng trao đổi nhiệt này hầu như không có ảnh hưởng rõ rệt tới quá trình nhiệt, có thể bỏ qua khi tính toán quá trình công nghệ

iv Một số dạng trao đổi nhiệt khác, giữa các đối tượng trong hệ thống, như bức xạ giữa cốt liệu với nhau và với môi trường, đối lưu giữa lưu chất và thân thiết bị, dẫn nhiệt giữa cốt liệu và thân thiết bị cũng có ít ý nghĩa vì những lý do tương tự nêu trên, cũng sẽ được bỏ qua khi giải bài toán công nghệ

v Các quá trình vận chuyển chất bao gồm quá trình cấp và tháo cốt liệu liên tục (theo mẻ hoặc không) và quá trình cấp, chảy liên tục của dòng chất tải lạnh (nước, khí lạnh) Hai quá trình này có thể bố trí xuôi dòng (với nước, khí lạnh), ngược dòng (với khí lạnh) Để giải bài toán i., phải phối hợp với nội dung v này

2.1.1.2 Dự lạnh nước cấp phối

Nước cấp phối thường được dự lạnh dưới hai dạng : nước lạnh (1ữ4oC) và nước đá (đá xay, đá vảy, đá mảnh có nhiệt độ -6ữ-1oC) Nước lạnh được sản xuất trên các máy sản xuất nước lạnh chuyên dụng – các chiller, với công suất từ vài chục kilowatt tới vài nghìn kilowatt Nước đá được sản xuất từ các máy sản xuất chuyên dụng như máy đá cây, máy đá vảy, máy đá mảnh với công suất từ một vài tấn ngày tới hàng trăm tấn ngày Đây là các thiết bị lạnh được nghiên cứư thiết kế chế tạo hoàn chỉnh, hàng loạt, đảm bảo các quá trình trao đổi nhiệt của cả hai phía, quá trình sôi của môi chất lạnh và quá trình làm lạnh/kết tinh của nước, có được hiệu suất cao nhất có thể Nhiệm vụ của đề tài là trên cơ sở các nguyên lý cơ bản của các quá trình và hệ thống lạnh chuẩn (chiller, máy sản xuất đá), chọn lựa, nghiên cứu thiết kế một số dạng thiết bị thích hợp với điều kiện sử dụng khai thác đặc thù của các trạm trộn bê tông dự lạnh

2.1.1.3 Dự lạnh cốt liệu tinh (cát, đá xay) và chất kết dính (xi măng, phụ gia khoáng) có thể

được dự lạnh bằng khí lạnh Tuy nhiên, trong khuôn khổ đề tài cho phép, chỉ có thể đề cập tới trên phương diện lý thuyết Bài toán trao đổi nhiệt để dự lạnh những khối hạt có kích thước nhỏ mịn như cát, xi măng có thể đưa về bài toán làm mát khối hạt trong môi trường/thiết bị lớp sôi Quá trình trao đổi nhiệt trong lớp sôi chủ yếu là đối lưu với cường độ cao Tốc độ dòng khí lạnh phải đảm bảo tối thiểu ở mức tạo được trạng thái tựa lỏng (fluidizing) cho khối cốt liệu

2.1.2 Dự lạnh hỗn hợp bê tông trong và sau quá trình trộn

Trong quá trình trộn, với thời gian khá ngắn, cỡ trên dưới một phút, nên việc dự lạnh chủ yếu chỉ là việc cấp và phân phối đều chất tải lạnh như nước lạnh, nước đá (kiêm cấp phối), hay băng khô (CO2 rắn), nitơ lỏng cho hỗn hợp bê tông Các quá trình trao đổi nhiệt chính khá phức tạp, bao gồm quá trình nóng chảy và gia nhiệt nước đá, băng khô, bay hơi và gia nhiệt nitơ lỏng, nhờ thu nhiệt trực tiếp từ hỗn hợp bê tông đang hình thành chủ yếu qua

dạng dẫn nhiệt từ khối vữa bê tông (bao gồm cát, xi măng, nước) với cốt liệu thô (đá dăm các cỡ), một phần dẫn nhiệt do tiếp xúc trực tiếp giữa hạt cốt liệu với hạt nước đá, băng khô hoặc nitơ lỏng Hiệu suất của quá trình dự lạnh dùng nước lạnh, nước đá gần bằng 100%, nếu bỏ qua các thất thoát nhiệt qua thành cối trộn Với băng khô và nitơ lỏng, hiệu suất dự lạnh bị giảm đáng kể do quá trình trao đổi nhiệt đối lưu giữa pha khí (sau khi nitơ lỏng bay hơi, băng khô thăng hoa) và pha rắn có hiệu suất rất thấp vì bề mặt pha rắn (khối hỗn hợp bê tông) rất nhỏ, không đủ phân tán, trong khi đó pha khí lại không thể tuần hoàn Trong khuôn khổ đề tài, chủ yếu sẽ chỉ đề cập tới quá trình dự lạnh sử dụng nước lạnh và nước đá, các chất còn lại sẽ chỉ được xem xét ở những nét chung nhất, có tính định hướng ban đầu cho những nghiên cứu triển khai tiếp theo

Để thực hiện các quá trình trên, trong thực tế thường sử dụng các dạng thiết bị sau

đây :

• Phễu dự lạnh cốt liệu thô bằng nước lạnh

Phễu có cấu tạo tương tự phễu cấp liệu thô thông thường cho trạm trộn, nhưng có kích thước được tính toán nhằm đảm bảo thời gian làm lạnh, được bổ sung các kết cấu bảo ôn, phun và gom nước lạnh Đây là thiết bị dự lạnh cốt liệu thô hiệu quả, kết cấu đơn giản và gọn, giá thành chế tạo, bảo trì thấp Nhược điểm là khó dự lạnh sâu vì phải tăng kích thước theo chiều cao, và cơ bản do quá trình trao đổi nhiệt thuận dòng

• Phễu dự lạnh cốt liệu thô bằng khí lạnh

Phễu dự lạnh bằng khí lạnh cũng tương tự như phễu dự lạnh bằng nước lạnh, nhưng phải được làm kín để tránh tổn hao lạnh Một ưu điểm quan trọng của dạng này là sau khi dự lạnh, cốt liệu hầu như không thay đổi độ ẩm Điều này mang lại hai lợi ích : một là việc xác

định và điều khiển hàm lượng nước cấp phối được thuận lợi, hai là với các mác bê tông nghèo, dùng ít nước, thì tỷ lệ nước lạnh/nước đá sẽ nhờ vậy mà tăng lên, giúp làm lạnh sâu

dễ dàng hơn Một ưu điểm khác nữa là hiệu suất của thiết bị cao hơn so với dùng nước do hầu như 100% khí lạnh được tuần hoàn, không tổn hao do quá trình lắng lọc Ngoài ra, có thể dễ dàng làm lạnh sâu mà không bị giới hạn như khi dùng nước lạnh, nếu chọn thiết bị làm lạnh khí đủ sâu Tuy nhiên, dạng này cũng có những nhược điểm đáng kể: kết cấu khá phức tạp, có kích thước lớn so với dùng nước; ồn khi vận hành; hiệu suất tổng thể của hệ thống bao gồm thiết bị làm lạnh khí, quạt cấp khí, lọc bụi thậm chí có thể còn cao hơn so với hệ dùng nước

• Băng tải dự lạnh cốt liệu thô bằng nước lạnh

Đây có thể là dạng thiết bị dự lạnh cốt liệu thô tốt nhất nhưng cũng đắt nhất Với kết cấu băng tải cao su thông thường, được bố trí dốc 1-2o cho thoát nước về phía đầu băng, với chiều dài và tốc độ đảm bảo thời gian làm lạnh, kết hợp hệ thống phun nước lạnh trên toàn

bộ chiều dài băng, một hệ trao đổi nhiệt giữa dòng cốt liệu và dòng nước gần như ngược dòng được hình thành Với dạng làm lạnh này, hiệu suất sẽ cao hơn, đồng đều hơn Tuy nhiên, ngoài giá thành cao, dạng này còn đòi hởi mặt bằng khá lớn

• Cối trộn bê tông dự lạnh hỗn hợp bê tông bằng nước lạnh, nước đá

Đây là dạng thiết bị dự lạnh đương nhiên được sử dụng Như đã phân tích ở trên, vấn

đề thiết yếu ở đây không phải là các quá trình làm lạnh, mà là sự đảm bảo chất lượng trộn Mặc dù độ nhớt của nước tăng tới 50% khi giảm nhiệt độ từ 20oC xuống 5oC, nhưng sức căng bề mặt lại chỉ tăng 3%, do vậy nước lạnh cấp phối hầu như không có ảnh hưởng tới quá trình thành tạo và độ đồng đều của hỗn hợp bê tông so với nước không được dự lạnh Trong khi đó, ở dạng hạt rắn, nước đá cấp phối phải tan hoàn toàn và tham gia vào quá trình tạo thành hỗn hợp vữa xi măng-cát-nước đồng đều trong thời gian trộn không quá một phút Do vậy, bên cạnh kết cấu và kiểu loại cối, việc cung cấp, kích cỡ hạt và tỷ lệ nước đá sẽ là những yếu tố có vai trò quyết định tới độ chín của hỗn hợp bê tông được dự lạnh

2.2 Nghiên cứu, xác định các thông số nhiệt, vật lý đặc trưng của các vật liệu dạng hạt dùng cho sản xuất bê tông thông dụng tại Việt nam

2.2.1 Mục đích, yêu cầu và phương pháp thực hiện

2.2.1.1 Mục đích

• Nhằm nghiên cứu, xác định một số thông số nhiệt vật lý đặc trưng như khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ dẫn nhiệt, độ dẫn nhiệt độ…của các vật liệu xây dựng thô sử dụng trong sản xuất bê tông (đá dăm các loại, cát, phụ gia khoáng…) được dùng cho tính toán cân bằng nhiệt hệ thống dự lạnh cốt liệu bê tông hoặc bê tông, tính toán các quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi làm lạnh cốt liệu bê tông hoặc bê tông

• Trong các tài liệu kỹ thuật hiện hành, các thông số này thường được đưa ra với nguồn gốc không xác định hoặc của một địa điểm cụ thể Thậm chí, một loạt các thông số không thể tra cứu trực tiếp tại các sổ tay tra cứu thông thường Điều này gây khó khăn cho việc tính toán thiết kế

2.2.1.2 Yêu cầu:

• Nghiên cứu khái quát dưới góc độ nhiệt, vật lý về các loại vật liệu xây dựng được khai thác, sản xuất trên thế giới và tại Việt nam và sử dụng trong sản xuất bê tông (đá dăm các loại, cát, phụ gia khoáng…)

• Xác định được các thông số nhiệt vật lý cần thiết cho bài toán tính toán cân bằng nhiệt cho thiết kế thiết bị dự lạnh bê tông

2.2.1.3 Nội dung & Phương pháp tiến hành:

• Chọn lựa, xác định các thông số cần thiết phải xác định

• Đề xuất các nội dung cụ thể cần tổ chức khảo sát, đo đạc, xác định

• Trên cơ sở đặc điểm đối tượng đo, yêu cầu của thông số đo, chọn lựa phương pháp đo

• Thực hành đo, xác định: kết quả và đánh giá

• Đề xuất về ứng dụng kết quả nghiên cứu xác định các thông số nhiệt vật lý của vật liệu xây dựng vào kỹ thuật tính toán thiết kế hệ thống dự lạnh

2.2.2 Chọn lựa, xác định các thông số nhiệt vật lý cần thiết phải xác định

2.2.2.1 Tiêu chí chọn lựa:

• Đủ để cho tính toán chính xác cân bằng nhiệt, truyền dẫn nhiệt trong thiết kế hệ thống dự lạnh, là các bài toán quan trọng nhất, xác định công suất lạnh hệ thống, thời gian làm lạnh bê tông

Q (2.1) Trong đó:

- Q L: công suất lạnh lý thuyết cần cấp cho 1 m3 bê tông dự lạnh, kJ/m3

- N: số thành phần cấp phối bê tông (thông thường, N= 4, với các thành phần cấp phối là

cốt liệu thô, cốt liệu tinh, xi măng, nước)

- m i: cấp phối thành phần thứ i, kg/m3

- c i: nhiệt dung riêng thành phần thứ i, kJ/kgK

- ∆T i = tic-tiđ , hiệu nhiệt độ sau và trước dự lạnh của thành phần i, oK

• Các phương trình dẫn nhiệt, tiêu chuẩn xác định chế độ trao đổi nhiệt, đặc biệt cho cốt liệu thô (đá dăm các loại)

+ Phương trình vi phân dẫn nhiệt Fourier:

ρ

q t a

t = ∇ + V

∂

(2.2) Trong đó:

- vế phải là đạo hàm riêng trường nhiệt độ trong vật dẫn nhiệt theo thời gian

- a: hệ số dẫn nhiệt độ (m2/s), đặc trưng cho khả năng san bằng nhiệt độ của các vùng trong vật nhờ dẫn nhiệt, có giá trị bằng λ/cρ, với λ, c, ρ lần lượt là độ dẫn nhiệt (W/mK), nhiệt dung riêng (kJ/kgK), khối lượng riêng (kg/m3) của chất được xét

2 2

2 2

2

z

t y

t x

t

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

- q V = q V (r,t), là mật độ nguồn nhiệt bên trong vật dẫn nhiệt

+ Tiêu chuẩn Biot (ký hiệu Bi, đại lượng không thứ nguyên), dùng cho đánh giá, tính toán quá trình truyền nhiệt không ổn định của vật truyền dẫn nhiệt có xét tới quá trình trao đổi nhiệt với môi trường:

h h

L Bio

λ

= (2.3) Trong đó:

- α : hệ số trao đổi nhiệt giữa hạt cốt liệu với chất tải lạnh, W/m2K)

- L H : kích thước đặc trưng của hạt, bằng V/F (ví dụ,bằng dH/6 nếu hạt dạng hình cầu)

- λH : hệ số dẫn nhiệt của hạt cốt liệu

2.2.2.3 Các thông số nhiệt, vật lý cần đo kiểm, xác định:

Từ các phương trình nêu trong mục 1.2.2, rút ra các thông số sau đây:

• Khối lượng riêng của vật liệu (kg/m3)

• Nhiệt dung riêng của vật liệu (kJ/kgK)

• Độ dẫn nhiệt của vật liệu (W/mK)

Về vai trò của hàm ẩm, tuy không thể hiện trực tiếp trên các phương trình (2.1)-(2.3) , nhưng tham số này sẽ tham gia gián tiếp vào phương trình (1) trong các bài toán thực tế, cụ thể là thành phần cấp phối thứ i sẽ được tách rời mi = miK + Mi*miK , với miK là lượng cấp phối khô, Mi là hàm ẩm của thành phần i này Lúc này, lượng ẩm Mi*miK sẽ được chuyển vào cấp phối nước

2.2.3 Khái quát về các loại vật liệu thô dùng cho sản xuất bê tông tại Việt nam (đá dăm các loại, cát, phụ gia khoáng…) dưới góc độ các thông số nhiệt vật lý

- Đá basalt: là một loại đá macma phún xuất(nguồn gốc núi lửa), thường là các loại đá basal olivin (gốc silicat sắt/manhê), plasiobasalt (silicat/aluminat kiềm/kiềm thổ), basalt tholeit (basalt chứa một tỷ lệ thấp hơn các oxit kiềm/kiềm thổ) Basalt có cấu tạo đặc sít xen nhiều lỗ hổng nhỏ trên toàn khối đá với mật độ 5-20%, thậm chí tới 30% Đá basalt phân bố chủ yếu tại các tỉnh Tây nguyên và một phần các tỉnh miền đông Nam bộ Do quá trình thành tạo, các hạt tinh thể khoáng tạo đá có kích thước khá nhỏ (cỡ dưới milimét) Độ cứng khá cao, trong khoảng 4-7 Morh

- Ngoài ra, cũng có một số loại đá khác như granit, gabro (là các loại đá macma xâm nhập), cũng được dùng cho sản xuất bê tông nhưng với số lượng ít hơn nhiều

• Kích thước hình học: theo Tiêu chuẩn ngành 14 TCN 70 – 2001 [5], đá dăm dùng cho bê tông thuỷ công có các kích thước sau :

- Các loại đá, đá xây dựng trên lãnh thổ Việt nam có khối lượng riêng trong dải khá rộng,

từ 2200 cho tới 3000 kg/m3, tuỳ theo vị trí địa lý, phân vị địa tầng, nguồn gốc phức hệ thành tạo, thành phần khoáng vật [15]

• Nhiệt dung riêng

- Cho tới nay, chưa có số liệu nào về thông số này của các loại đá vôi Việt nam Ta có thể thấy, tương tự khối lượng riêng, nhiệt dung riêng của đá vôi Việt nam cũng sẽ biến thiên trong một khoảng nào đấy, với nguyên do thành phần cấu tạo đá vôi khá phức tạp, thay đổi theo vị trí địa lý, nguồn gốc thành tạo…, và nhiệt dung riêng được xác định theo các nhiệt dung riêng và hàm lượng thành phần hợp thành đá Theo tài liệu nước ngoài, nhiệt dung riêng trung bình của đá vôi bằng 0,84 kJ/kgK [16]

- Với đá basalt, tình hình cũng tương tự đá vôi Theo tài liệu nước ngoài, nhiệt dung riêng trung bình của đá basalt cũng bằng 0,84 kJ/kgK [17]

• Độ dẫn nhiệt

- Cho tới nay, chưa có tài liệu trong nước nào công bố các số liệu nghiên cứu về độ dẫn nhiệt của các loại đá xây dựng Việt nam

- Về cơ bản, ngoài các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, áp suất, độ dẫn nhiệt được xác

định bởi thành phần và cấu trúc hoá học, cấu trúc vi mô (độ hạt, sự xắp xếp chúng…)

Do vậy, có thể dự đoán sự thay đổi khá lớn của giá trị này theo vị trí khai thác, nguồn gốc thành tạo

- Theo tài liệu nước ngoài, độ dẫn nhiệt trung bình của đá vôi bằng 1,26-1,33 W/mK [18], còn của basalt cho tới nay cũng chưa thấy công bố

• Hàm ẩm: ở trạng thái sau chế biến, độ ẩm của đá dăm thường không quá 0,1%, và có thể thăng giáng ít nhiều tuỳ theo độ ẩm môi trường Trong trường hợp ngậm nước tới mức bão hoà (ví dụ bị mưa, hoặc sau khi làm lạnh bằng nước lạnh, sau rửa…), độ ẩm/ngậm nước có thể lên tới 3-4% tuỳ theo cỡ đá từ cỡ 50-70 tới cỡ 5-10 mm…(lượng ngậm nước

tỷ lệ nghịch cỡ đá)

2.2.3.2 Các vật liệu rời: cát, xi măng, phụ gia khoáng (pozzolan, tro bay/fly-ash)

• Do đặc điểm kích thước hình học của nhóm vạt liệu này là dạng hạt mịn: với cát kích thước hạt từ 0,1-2 mm, với xi măng và phụ gia khoáng kích thước hạt từ cỡ dưới 10.E-4 tới 10.E-2 mm, nên dưới góc độ nhiệt vật lý, việc khảo sát kỹ lưỡng một số thông số như

độ dẫn nhiệt, hệ số dẫn nhiệt độ là không cần thiết (theo công thức (3), khi LH quá nhỏ, dẫn tới tham số Bio luôn có thể coi như bằng không, tương ứng với việc chế độ trao đổi nhiệt chỉ phụ thuộc vào quá trình trao đổi nhiệt từ bề mặt hạt với môi trường)

• Cát xây dựng: có thể coi tương tự như một loại đá trầm tích nào đó (có nguồn gốc đá vôi,

đá biến chất…), nhưng với kích thước hạt cực nhỏ Do vậy, về cơ bản, những khảo luận

về đá vôi ở phần trên có thể được áp dụng cho cát Ví dụ, theo [17], nhiệt dung riêng trung bình của cát trầm tích là 0,8 kJ/kgK, của cát xay từ đá sa thạch (đá silicat trầm