Nghiên cứu động lực học cấp nhiên liệu sắn trong thiết bị xử lý nhiệt, ứng dụng cho chế biến hạt điều xuất khẩu

nghiên cứu động lực học dòng nhiên liệu vỏ hạt điều cấp cho lò đốt, xác định các thông số vật lý kỹ thuật và động lực cơ bản ảnh hưởng đến quá trình cháy và ổn định nhiệt trong lò làm c

|

|

—

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

TRUNG TÂM KHOA HỌC KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

TRƯƠNG THÀNH CÔNG

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HOC CAP NHIÊN LIỆU

RAN TRONG THIET BI XU LY NHIET, UNG DUNG

CHO CHE BIEN HAT DIEU XUAT KHAU

Chuyên ngành _ : ĐỘNG LỰP HỤP - ĐỘ BEN MAY, KHi CU VA DUNG CỤ

Mã số : 2.01.03

TOM TAT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2003

Công trình được hoàn thành tại:

Sở Khoa học Công nghệ và Môi trường tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu

và Trung tâm Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ Quân sự - Bộ Quốc phòng,

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS TSKH BUI SONG CẦU

2 PGS TS BUI NGOC HOI

Phân biện 1: P#§,14kH PÁ an Nguwen.D,,

Ha« Viện ThaẤt auáo Sđ

Phản biện 2: .Œx4⁄16 \|g auan Huấi, Cđhế

Read haá &a66 ha4 Há.NỘ

Phân biện 3: /¿š.L4KM M yen Cin, COU Pai Anow Today

Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Nhà nước họp tại

Trung tâm KHKT và CNQS

Vào hồi giỜ ngày tháng năm 2003

Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Quốc gia hoặc Thư viện Trung tâm KHKT - CNQS - Bộ Quốc phòng

A GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghiệp chế biến có vai trò to lớn trong sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá nông nghiệp nông thôn ở nước ta

Ở Việt Nam công nghiệp chế biến được chú ý và phát triển nhanh trong

những năm gần đây, đó là chủ trương lớn của Đảng và Nhà nước ta Tuy nhiên

để phục vụ cho ngành công nghiệp này nhiều thiết bị máy móc chúng ta phải nhập từ nước ngoài vừa tốn ngoại tệ vừa không phải lúc nào cũng phát huy hiệu quả cũng như phù hợp với hoàn cảnh điều kiện của một nước nông nghiệp còn nghèo và lạc hậu như nước ta

Trong công nghiệp chế biến các thiết bị xử lý nhiệt đóng vai trò rất quan

trọng Để cấp nhiệt cho các thiết bị xử lý nhiệt phải dùng các chất cháy tự nhiên hoặc nhân tạo làm nhiên liệu Đã có nhiều công trình nghiên cứu vẻ nhiên liệu truyền thống được dùng trong công nghiệp như: than củi, dầu mỏ khí thiên

nhiên Tuy nhiên, có một loại nhiên liệu cho đến nay vẫn chưa được nghiên

cứu đầy đủ, đó là phụ phẩm và phế liệu từ quá trình chế biến nông sản thực phẩm như các loại vỏ hạt, đặc biệt là vỏ hạt có dầu như sở trẩu, điều (đào lộn hộn) vv

Điều là cây có tiểm năng to lớn nên đã được Chính phủ ra quyết định tháng **

5 năm 1999 phê duyệt đề án phát triển đến năm 2010 Cây điều đã và đang có

vị trí quan trọng trong nền kinh tế, năm 2002 xuất khẩu nhân điều của Việt Nam đứng thứ hai thế giới (sau Ấn Độ) Hiện nay cây điều và nghành công nghiệp chế biến hạt điều đã đạt giá trị kim ngạch xuất khẩu đứng thứ 3 sau gạo

và cà phê Do vậy nó đã trở thành ngành sản xuất xuất khẩu có ý nghĩa chiến lược của đất nước

Trong công nghiệp chế biến hạt điều ở nước ta đang dùng chính vỏ điều

làm nhiên liệu cho lò đốt để cấp nhiệt cho bể chao dâu hạt điều: phương pháp

1

này tiết kiệm chỉ phí nhiên liệu nhưng do cấp và đốt vỏ điều bằng thủ công nên quá

trình cháy không ổn định dẫn đến nhiệt độ không ổn định do cháy không hết nên các chất độc có trong vỏ điều gây ô nhiễm môi trường và nhiệt cấp không ổn định

làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Đây là vấn dé liên quan đến cơ chế cháy

và động lực học của quá trình cấp và đốt nhiên liệu rắn

Để giải quyết vấn đề này cho đến nay ở Việt Nam vẫn chưa có cơ quan và

tác giả nào nghiên cứu về động lực học quá trình cấp và đốt vỏ hạt điều trong thiết bị xử lý nhiệt Mặt khác cũng chưa thấy phản ánh trong các tài liệu khoa học công bố trên thế giới Vì vậy đẻ tài được chọn là: "Nghiên cứu động lực học cấp nhiên liệu rắn trong thiết bị xử lý nhiệt ứng dụng cho chế biến hạt điều xuất khẩu"

2 Mục đích và nội dung nghiên cứu của luận án

1 Nghiên cứu cơ chế cháy của nhiên liệu vỏ hạt điều thiết bị cấp làm sáng

tỏ các nguyên nhân và tham số động lực của thiết bị đảm bảo quá trình

cấp nhiên liệu ổn định Xây dựng cơ sở tính toán thiết kế và chế tạo thiết

bị tự động cấp vỏ điều thay cho phương pháp thủ công

2 Nghiên cứu để làm sáng tỏ quy luật và quá trình động lực học của hệ thống thiết bị xử lý nhiệt nghiên cứu động lực học dòng nhiên liệu vỏ hạt

điều cấp cho lò đốt, xác định các thông số vật lý kỹ thuật và động lực cơ bản ảnh hưởng đến quá trình cháy và ổn định nhiệt trong lò làm cơ sở lựa chọn các thông số tối ưu để thiết kế chế tạo và vận hành thiết bị

3 Bằng thực nghiệm, nghiên cứu xác định mối quan hệ của một số thông số động lực học và vật lý kỹ thuật cơ bản của quá trình cấp và đốt vỏ hạt điều

bổ trợ cho nghiên cứu lý thuyết, và hoàn thiện phương pháp tính toán thiết

kế chế tạo thiết bị cấp và đốt vỏ hạt điều đảm bảo ổn định nhiệt, nâng cao chất lượng sản phẩm giảm thiểu ô nhiễm môi trường

3 Phương pháp nghiên cứu

Xây dựng các mô hình động lực và mô hình toán xác định ảnh hưởng của các tham số động lực và vật lý của cơ cấu cấp nhiên liệu (vỏ hạt điều) tới tốc độ

cấp vỏ hạt điều vào lò đốt: trên cơ sở đó bằng phương pháp nghiên cứu giải tích

và phương pháp số tìm ra qui luật và sự phụ thuộc định tính và định lượng của các tham số vật lý kỹ thuật cho việc cấp nhiên liệu vào lò đảm bảo cháy triệt để

ổn định nhiệt

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm và ứng dụng thực tế để xác định độ tin cậy những kết quả đưa ra của luận án

4 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là các thiết bị tự động xử lý nhiệt nói chung và thiết bị cấp và đốt vỏ hạt điều nói riêng đang sử dụng tại các cơ sở chế

biến hạt điều xuất khẩu của Việt Nam

5 Những đóng góp chính của luận án

Về mặt khoa học:

5.1 Lần đầu tiên nghiên cứu động lực học hệ thống cấp và đốt nhiên liệu vỏ hạt điều, xây dựng cơ sở tính toán, thiết kế chế tạo thiết bị tự động cấp

nhiên liệu vỏ hạt điều trong đó:

- Đã xây dựng mô hình động lực và phương trình chuyển động của bộ truyền đai trong đó có tính đến ảnh hưởng của từ trường động cơ Rút ra các biểu thức giải tích cho phép nghiên cứu định tính và định lượng ảnh hưởng của

một số tham số động lực học chính của bộ truyền đai tới tốc độ cấp nhiên liệu vỏ hạt điều vào lò đốt

- Xây dựng mô hình toán, thiết lập các biểu thức và giải bài toán động lực

học hệ thống tự động cấp nhiên liệu xác định quy luật ảnh hưởng của một số thông số động lực và vật lý của quá trình cấp và đốt vỏ hạt điều Rút ra được biểu thức tính tốc độ vỏ ban đầu tối ưu và hệ số cản phù hợp

5.2 Đã xây dựng một số chương trình phần mềm tính toán trên máy tính:

- Chương trình giải bài toán chuyển động của bộ truyền đai trong thiết bị cấp vỏ

hạt điều để đưa ra các thông số tối ưu thiết kế chế tạo thiết bị cấp vỏ hạt điều

-_ Chương trình giải bài toán động lực học chuyển động vỏ hạt điều trong

lò đốt để xác định tốc độ gió tốc độ cấp vỏ hạt điều tối ưu đảm bảo nhiệt độ cao và ổn định

5.3 Đã xây dựng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để xác định mối quan hệ của một số thông số động lực học chính của hệ thống cấp và đốt vỏ hạt điều Kết quả nghiên cứu đã chứng minh:

- Nhiét độ và sự ổn định nhiệt độ trong lò đốt vỏ hạt điều phụ thuộc vào tốc độ cấp vỏ và tốc độ cấp gió vào lò

-_ Nhiệt độ trong lò không tang tỷ lệ với tốc độ cấp vỏ điều và tốc độ cấp gió mà chỉ tăng và đạt giá trị lớn nhất trong giới hạn nhất định của tốc

độ cấp vỏ hạt điều và tốc độ cấp gió vào lò

~_ Với tốc độ cấp vỏ điều và cấp gió hợp lý vỏ điều cháy hết cho nhiệt

độ cao và ổn định giảm khí thải độc hại

5.4 Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm là cơ sở khoa học xác định các thông số kỹ thuật tối ưu cho việc tính toán thiết kế chế tạo

thiết bị cấp vỏ hạt điều của hệ thống xử lý nhiệt

5.5 Kết quả của luận án đã được áp dụng có hiệu quả vào tính toán thiết

kế chế tạo thiết bị tự động cấp nhiên liệu vỏ hạt điều cho một số cơ sở

chế biến hạt điều xuất khẩu ở tinh BA ria — Vũng tàu và địa phương

khác : góp phần giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng chất lượng sản phẩm và

giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Về hiệu quả kinh tế xã hội:

5.6 Kết quả nghiên cứu của luận án đã được sử dụng trong thiết kế chế tạo thiết bị tự động cấp vỏ điều và được ứng dụng rộng rãi trong thực

tế sản xuất.

5.7 Thiết bị cấp tự động vỏ hạt điều đã góp phần giảm tiêu hao nhiên liệu

khoảng 30% tăng chất lượng sản phẩm xuất khẩu trên 2% giảm thiểu ô

nhiễm môi trường (tổng phenol giảm khoảng 60% và nhiều chỉ số ô

nhiễm môi trường khác) cải thiện điều kiện làm việc của công nhân

6 Bố cục luận án:

Luận án gồm 120 trang thuyết minh trong đó gồm: mở đầu 4 chương nội

dung, kết luận chung, tài liệu tham khảo và 40 trang phụ lục Trong luận án có

41 hình vẽ 19 bảng biểu, trích dân 69 tài liệu tham khảo tiếng Việt và tiếng

nước ngoài

va

B NỘI DUNG LUẬN ÁN

Chương 1

CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN HẠT ĐIỀU VÀ VẤN ĐỀ CẤPNHIÊN LIỆU

CHO THIET BI XỬ LÝ NHIỆT HẠT ĐIỀU

Trong chương này giới thiệu tổng quan một số vấn đề:

1 Sản phẩm của cây điều công nghệ chế biến hạt điều

2 Việc sử dụng vỏ điều lam nhiên liệu cấp cho lò đốt những vấn đề đặt m phải

giải quyết về ổn định nhiệt và giảm thiểu ô nhiêm môi trường

3 Một số vấn để cấp và đốt nhiên liệu rắn các yêu cầu cần thiết để đảm bảo cho nhiên liệu rắn cháy triệt để và ổn định trong lò đốt

4 Tình hình nghiên cứu trong nước nước ngoài và các công trình liên quan đến

Qua phần tổng quan, da nit ra kết luận về các vấn đề cần được nghiên cứu là:

-_ Động lực học của cơ cấu truyền động trong thiết bị cấp nhiên liệu rắn

thiết lập mô hình động lực và giải bài toán về chuyển động của bộ

truyền đai trong thiết bị cấp vỏ hạt điều để tìm các thông số ảnh hưởng

tới tốc độ cấp nhiên liệu rắn (vỏ hạt)

-_ Thiết lập mô hình và giải bài toán động lực học chuyển động của vỏ

hạt điều trong buồng đốt, tìm mối quan hệ tối ưu giữa các thông số vật

lý kỹ thuật để thiết kế chế tạo và vận hành thiết bị tự động cấp vỏ hạt điều bảo đảm quá tình cháy triệt để ổn định thay cho phương pháp cấp thủ công.

Chương 2

NGHIÊN CỨU ẢNH HUGNG CUA BO TRUYEN DONG

DAI TOI TOC DO CAP LIEU TRONG HE THONG CAP

NHIET BANG VO HAT DIEU

2.1 Thiết lập phương trình chuyển động của bộ truyền đai trong thiết bị

cấp liệu vỏ hạt điều

Để cơ khí hoá khâu cấp vỏ hạt điều vào lò đốt thay cho phương pháp thủ

công đã dùng thiết bị cấp vỏ điều vào lò đốt trong đó sử dụng bộ truyền đai có

ưu điểm là tự chống được quá tải khi vỏ điều bị kẹt, đảm bảo an toàn cho thiết

bị Tuy nhiên việc dùng cơ cấu truyền đai có dẫn đến sai số về tốc độ cấp vỏ điều và lượng vỏ điều vào lò Để nghiên cứu vấn đề này, từ kết cấu của thiết bị

cấp vỏ điều đã thiết lập mô hình động lực (hình 2.1) và phương trình can

động của bộ truyền động bằng dây đai:

Hình 2.1 Mô hình động lực của bộ truyền đai

Từ mô hình động lực sử dụng phương trình cơ bản Lagrange ta có :

Phương trình chuyển động của bộ truyền đai:

ự +J;0#)°B, +J,Wä, +21,w'w'(, +ả,} +14, +ả,⁄, +Ca =—R, +wWM

pis do, oigreSiegziny dt*

Trong đó : J,, J, 1a momen quán tính co cau truyén va dan dong; Nms*; q,,q; là biến dạng góc quay (rad); C¡, C; — hệ số cứng nguồn dẫn động và bộ truyền (Nm)

7

œ„ - tốc độ gốc của từ tường động cơ: R„ R; mô men giảm trấn; M - mômen ngoại

lực (ÑNm); W - hàm truyền

2.2 Ảnh hưởng của bộ truyền động bằng dây đai tới tốc độ cấp vỏ hạt điều

Tốc độ cấp vỏ hạt điều vào lò đượng vỏ hạt điều) phụ thuộc vào tốc độ góc quay của trục định lượng (hình 2.2)

Hình 2.2 Thiết bị cấp vỏ điểu vào lò

2.2.1 Tân số dao động riêng (TSDĐR của hệ

Để nghiên cứu TSDĐR bộ truyền từ phương trình (2.1) cho vế phải =0 và

với giả thiết w”=0, ta có được hệ phương trình :

J, +) +J,Wä, +Cq, =0

J,wä, +J,ä, +C;q, =0

Gái hệ phuơng trình này tính được tần số dao động rêng của hệ và được

xác định bằng biểu thức sau:

C/G Hình 2.3 Sự phụ thuộc của tân số dao động riêng

vào độ cứng từ trường động cơ

Kết quả nghiên cứu chứng minh ràng do tính đến ảnh hưởng của độ cứng nguồn dẫn động trong bộ truyền động bằng dây đai xuất hiện hai tần số đao động riêng Các tần số dao động riêng đó tăng khi tăng độ cứng nguồn dẫn động điều

này được thể hiện trên hình 2.3 (lién két Stato với roto gián tiếp bằng từ trường

giống như phân ni dan hồi, có độ cứng C, gọi là độ cứng nguôn dẫn (độ cứng của

từ trường động cơ)

2.2.2 Ảnh hưởng của bộ truyền đai tới tốc độ cấp vỏ hạt điêu

Từ kết quả nghiên cứu dao động cưỡng bức của hệ truyền động bằng dây đai đã rút ra được biểu thức xác định sự phụ thuộc của sai số cực đại tốc độ góc

quay trục định lượng của cơ cấu cấp vỏ hạt điều vào các thông số của bộ truyền đai có dạng sau:

Khi tăng độ cứng nguồn dẫn động và mô men quán tính trục định lượng, biên độ

đao động cấp vỏ hạt điều giảm và hệ số tăng tỷ lệ tối uu nam trong khoang (1+

9

4) nếu C¡/C: và Jz/J¡ >4 biên độ dao động cấp vỏ hạt điều giảm không đáng

kể Đây là điều có ý nghĩa quan trọng trong tính toán thiết kế bộ truyền động có

kết cấu tối ưu (hình 2.4 và 2.5)

Hình 2.4 Sự phụ thuộc của Hình 2.5 Sự phụ thuộc của hệ

hệ số đao dộng tốc độ góc số dao động tốc độ góc trục định lượng

trục định lượng vào độ cứng vào mô men quán tính trục định lượng

nguồn dẫn động

Kết quả nghiên cứu bằng phương pháp số về sự phụ thuộc của tốc độ cấp

vỏ hạt điều vào các thông số của bộ truyền chuyển động bằng dây đai trong cơ cấu cấp vỏ điều cũng cho kết quả tương tự như trên được thể hiện trên hình 2.6

Ở đó đường I tương ứng với phương pháp giải tích đường 2 tương ứng với

phương pháp số sai lệch kết quả của 2 phương pháp không vượt quá 1.5 %

1- ứng với phương pháp giải tích 2- ứng với phương

2 Từ trường của động cơ có ảnh hưởng trực tiếp tới dao động của bộ truyền và

độ đồng đều của tốc độ cấp nhiên liệu

3 Lượng cấp nhiên liệu vỏ điều tỷ lệ thuận với tốc độ góc trục định lượng

10

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG NHIÊN LIỆU

VỎ HẠT ĐIỀU CẤPCHO LÒ ĐỐT

3.1 Thiết lập phương trình chuyển động của vỏ hạt điều trong lò đốt

Vỏ hạt điều khi bay ra khỏi miệng ống cấp (ống cấp nằm ngang) xem như một chất điểm chuyển động chỉ chịu tác động của trọng lực F, và lực cản không

khí trong lò Ƒ., với vận tốc ban đầu là ý, (nàm trên trục hoành ox của hệ toạ độ)

Dựa trên phương trình cơ bản động luc hoc; ta có phương trình vi phân chuyển động như sau :

Stan

Trong đó: F; = mg - là lực trọng trường: F =ESpy,— là lực cản của

không khí trong lò: m - khối lượng của vỏ hạt điều: ø - gia tốc trọng trường:

p - khối lượng nêng của không khí: š - hệ số cản phụ thuộc vào hình dáng

trạng thái bề mat va tư thế bay của vỏ hạt điều; S — diện tích mặt cắt vỏ điều: v~ vận tốc của vỏ điều: vụ - vận tốc ban đầu của vỏ điều

3.2 Nghiên cứu chuyển động của vỏ hạt điều cấp cho lò đốt

Chiếu đẳng thức véctơ (3.1) lên các trục toạ độ (hình 3.1) ta nhận được hệ phương trình vi phân :