TÍNH cơ KHÍ KHI THIẾT kế hệ THỐNG sấy TRONG QUY TÌNH sản XUẤT PHÂN lân NUNG CHẢY

Do thùng quay với tốc độ chậm nên có thể tính áp lực vật liệu tác dụng lên thành thùng tối đa bằng trọng lượng khối vật liệu tác dụng lên thành thùng lúc đứng yên tại vị trí thấp nhất củ

TÍNH CƠ KHÍ KHI THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY TRONG QUY TÌNH SẢN XUẤT PHÂN LÂN NUNG

CHẢY

3.1 Tính bề dày thùng.

Thùng sấy phải đảm bảo yêu cầu bền và là loại vật liệu phổ biến trên thị trường, ta chọn thép CT3 Các thông số cơ bản của thép [14]:

 Khối lượng riêng: ρ = 7850 kg/m3

 Hệ số dẫn nhiệt (ở 20-100oC) λ = 50 W/m.K

 Giới hạn bền kéo: σk = 380 N/mm2

 Giới hạn bền chảy: σc = 240 N/mm2.(phụ thuộc chiều dày tấm thép)

Thùng dạng hình trụ nằm ngang, chế tạo bằng phương pháp hàn, làm việc ở áp suất khí quyển

Chọn phương pháp hàn tay hồ quang điện, hàn giáp mối hai bên

Theo : DT>700mm nên chọn hệ số bền mối hàn φh = 0,95;

Hệ số điều chỉnh, theo : η = 0,9 (thiết bị loại II, bị đốt nóng trực tiếp bằng khói lò).)

 Hệ số an toàn bền kéo: nk = 2,6

 Hệ số an toàn bền chảy: nc = 1,5

 Tính áp lực do vật liệu tác dụng lên thùng:

Do thùng quay với tốc độ chậm nên có thể tính áp lực vật liệu tác dụng lên thành thùng tối đa bằng trọng lượng khối vật liệu tác dụng lên thành thùng lúc đứng yên tại vị trí thấp nhất của thùng

Hệ số điền đầy β = 0,25 => diện tích phần vật liệu trên tiết diện thùng:

Fvl = FT – Ftd = 3,80 – 2,85 = 0,95 (m3) Theo phương pháp hình học ta có:

Giải phương trình ta được: α = 66,16o

Chiều cao chứa đầy vật liệu trong thùng:

h = R(1- cosα) = 1100.(1 – cos 66,16α) = 1100.(1 – cos 66,16) = 1100.(1 – cosα) = 1100.(1 – cos 66,16 66,16 o ) = 655,40 (mm) = 0,6654 (m).

Vậy tại điểm A, vật liệu tác dụng lên thành thùng một lực:

Thùng quay chậm nên có thể coi áp lực tác dụng lên thành thùng bằng áp lực tại điểm thấp nhất trên mặt cắt thùng:

P = 0,981.10 5 + 16073,69 = 114173,69 (N/m 2 )

Bề dày tối thiểu thùng tính theo :

Trong đó:

D1: Đường kính trong thùng, m p: Áp suất trong thùng, N/m2 C: Số bổ sung do ăn mò).n, bào mò).n, dung sai

Các hệ số bổ sung kích thước:

 Ca: Hệ số bổ sung

do ăn mò).n hóa

phân lân nung chảy, hầu như không ăn mò).n, do đó chọn Ca = 0

 Cb: Hệ số bổ sung do bào mò).n cơ học Do vật liệu có dạng hạt nên chọn Cb

= 1mm

 Cc: Hệ số bổ sung do sai lệch chế tạo, lắp ráp

Theo , chọn Cc = 0,8mm (t)

 Co: Hệ số bổ sung để quy trò).n kích thước, chọn Co = 4,9mm

 C = C a + C b + C c + C o = 0 + 1 + 0,8 +4,9 = 6,7 (mm)

Bề dày thực của thùng: S = 1,3 + 6,7 = 8 (mm).

3.2 Tính cánh đảo trộn.

Một số thông số cánh đảo trộn đã được chọn ở phần tính toán thùng sấy

Diện tích bề mặt chứa vật liệu của cánh:

Chọn các kích thước:

a = 280mm

b = 120mm

Chọn c = 1,5m; chiều dày d = 4mm

Vật liệu chế tạo cánh là thép CT3, số cánh trên một mặt cắt: 12 cánh

b

c

Hình 3.1: Kích thước cánh đảo trộn.

Với thùng dài 11m, mỗi cánh đảo trộn dài 1,5m thì ta bố trí 7 dãy cánh dọc theo thân thùng, ở phần nhập liệu lắp cánh xoáy để dẫn vật liệu vào thùng với chiều dài 0,87m lắp chéo dẫn vật liệu sấy vào thùng

Số lượng cánh trong thùng:

Khối lượng các cánh trong thùng:

3.3 Tính bộ truyền động.

 Chọn động cơ

Công suất cần để quay thùng (theo ):

Trong đó:

DT = 2,2m: Đường kính thùng

LT = 11m: Chiều dài thùng

a: Hệ số phụ thuộc dạng cánh Theo bảng có a = 0,071

n = 1,8vg/ph: số vò).ng quay thùng

ρ = 2500kg/m3: khối lượng riêng vật liệu



Theo chọn hiệu suất bộ truyền:

 Bộ truyền bánh răng trụ răng hở: 0,95

 Bộ truyền bánh răng trụ răng kín: 0,98

 Bộ truyền trục vít: 0,90.

 Hiệu suất bộ truyền: η = 0,95 0,98 0,90 0,993 = 0,81

Công suất tối thiểu động cơ:

Theo , chọn động cơ loại 4A280M8Y3 có các thông số:

 Công suất động cơ: Nđc = 75kW

 Tốc độ quay: nđc = 734v/ph

 Chọn tỉ số truyền động

Tỉ số truyền động chung của hệ thống:

Do tỉ số truyền lớn nên cần dùng bộ giảm

tốc Ở đây ta dùng hộp giảm tốc trục vít – bánh

vít

Chọn tỉ số truyền:

i12 = 5

i23 = 6

Tỉ số truyền động cơ sang trục vít:

Số vò).ng quay các trục:

Công suất ở các ổ trục:

Thùng

i23

i12

Động cơ

Hình 3.2: Hộp giảm tốc.

Ta có bảng kết quả:

Bảng 3.1: Thông số cơ bản hộp giảm tốc.

 Tính bộ truyền bánh răng

Ở đây ta chỉ tính bộ truyền bánh răng truyền động từ hộp giảm tốc sang bánh răng lớn lắp trên thùng Đây là sự chuyển động giữa hai trục song song, ta chọn bánh răng trụ răng thẳng, truyền động ăn khớp ngoài

o Chọn vật liệu

Chọn vật liệu có độ rắn HB ≤ 350, cắt gọt sau nhiệt luyện, không đò).i hỏi qua các nguyên công đắt tiền như mài Bánh răng có khả năng chạy mò).n tốt

Để tránh hiện tượng dính bề mặt làm việc của răng, lấy độ rắn bánh răng nhỏ lớn hơn bánh răng lớn từ 30-50HB, chọn mác thép 2 bánh khác nhau:

Bánh răng lớn:

 Giới hạn bền kéo: σk = 480N/mm2

 Giới hạn bền chảy: σc = 240N/mm2

Bánh răng nhỏ:

 Giới hạn bền kéo: σk = 580N/mm2

 Giới hạn bền chảy: σc = 290N/mm2

o Xác định ứng suất uốn cho phép

Đối với răng làm việc một mặt:

Trong đó:

σ-1: Giới hạn mỏi uốn

Thép C45: σ-1 = 0,45 580 = 261 (N/mm2)

Thép C35: σ-1 = 0,45 480 = 216 (N/mm2)

n: Hệ số an toàn Đối với bánh răng thép rèn thường hóa Chọn n = 1,5

kv: Hệ số tập trung ứng suất ở chân răng

Với bánh răng thép thường hóa, chọn kv = 1,8

Ứng suất uốn cho phép:

 Bánh răng nhỏ:

 Bánh răng lớn:

o Chọn hệ số tải trọng

K = 1,3 ÷ 1,5

Do bộ truyền có khả năng chạy mò).n, vận tốc thấp nên chọn K = 1,3

o Xác định khoảng cách trục, modun, chiều rộng răng

Chọn sơ bộ khoảng cách trục: A = 1500(mm)

Modun bánh răng (theo ): m = (0,01 ÷ 0,02)A = 15 ÷ 30 (mm)

Chọn m = 20mm Bánh răng thẳng, góc nghiêng của răng: β = 0

Chọn Z1 = 25 răng.

Chọn Z2 = 125 răng

Tính lại khoảng cách trục (theo ):

Chiều rộng bánh răng nhỏ (theo Tr.108[17]):

Trong đó theo chọn Ψm = 0,3

 b = 0,3 1500 = 450 (mm)

 Chọn b = 450mm

Chiều rộng bánh răng lớn: b’ = b – 10 = 450 – 10 = 440 (mm)

o Kiểm nghiệm độ bền uốn

Momen xoắn trên trục bánh răng nhỏ:

Trong đó:

 Răng trụ răng thẳng, góc nghiêng β = 0; Yβ = 1

 YF1, YF2: Hệ số dạng răng Tra với hệ số dịch chỉnh

x = 0 (số răng >21): YF1 = 4,0; YF2 = 3,6

 K: Hệ số tải trọng khi tính về uốn K = 1,1

 dl1: Đường kính vò).ng lăn bánh răng nhỏ:

dl1 = m Z1 = 20 25 = 500 (mm)

Vậy cả hai bánh răng đảm bảo điều kiện bền uốn

di

de

Chú thích

dl : Đường kính vò).ng lăn

de : Đường kính vò).ng đỉnh

di : Đường kính vò).ng chân

Hình 3.3: Thông sα) = 1100.(1 – cos 66,16ố cơ bản bánh răng

Góc ăn khớp α = 20o

Các thông số hình học bánh răng vò).ng gắn trên thùng sấy và bánh răng nhỏ gắn với hộp giảm tốc được liệt kê trong bảng dưới đây:

Bảng 3.2: Thông số hình học bánh răng vò).ng và bánh răng nhỏ.

o Khối lượng bánh răng lớn

Bánh răng lớn làm bằng thép C35, ρ = 7850 kg/m3 Coi phần bánh răng như hình vành khăn, đường kính ngoài bằng đường kính vò).ng lăn Do thùng làm việc ở nhiệt độ cao, tốc độ chậm nên bánh răng vò).ng không lắp sát vào thùng mà nối với thùng qua nhíp Chọn đường kính trong của bánh răng vò).ng là 2,37m

3.4 Tính vành đai, kiểm tra bền thùng.

 Tính sơ bộ.

Thùng có tải trọng lớn, quay chậm và nhiệt độ làm việc cao nên chọn lắp vành đai

tự do vào thân thùng dùng chân đế Giữa chân đế và thùng có tấm tăng cứng dày 5-20mm Giữa chân đế và mặt trong vành đai có đặt các tấm hạn chế va đập bằng thép mỏng

Chọn sơ bộ đường kính vành đai

(theo Tr.249[3]):

D v = (1,1 ÷ 1,2)D t

Trong đó:

Dv: Đường kính trong vành đai

Dt: Đường kính ngoài thùng

 D v = (1,1 ÷ 1,2) (2200+8.2)

= (2437 ÷ 2659) (mm).

Chọn Dv = 2440mm

Chọn sơ bộ bề rộng vành đai (vò).ng ngoài): B = 200mm

Thùng nặng, bề dày vành đai được tính theo Tr.250[3]:

Chọn h = 80mm

Đường kính ngoài vành đai:

D nv = 2440 + 80 2 = 2600 (mm)

Chọn sơ bộ góc vát đầu đai: β1 = 8o

Coi vành đai hình vành khăn, vật liệu chế tạo là thép CT35, khối lượng vành đai:

Chọn sơ bộ khối lượng chân đế và các tấm tăng cứng, tấm căn: 4kg/bộ

Mỗi đai được lắp trên 12 chân đế, thùng lắp 2 đai

Khối lượng tổng cộng 2 đai và chân đế:

MD = 2 (994,4 + 12 4) = 2084,8 (kg)

Hình 3.4: Kết cấu lắp chân đế - vành đai.

1: Chân đế 2: Vành đai 3: Các tấm căn 4: Tấm tăng cứng 5: Thân thùng.

4 5 2

 Kiểm tra bền vành đai

Khi thùng quay làm việc, trọng lượng các cánh đảo trộn, lượng vật liệu trong thùng xem như tải trọng phân bố đều Trọng lượng bánh răng vò).ng, vành đai là các tải trọng tập trung, nhưng để tiện ta cũng xem chúng như tải trọng phân bố đều

Tổng trọng lượng thùng là:

Với GT, GC, GV, GD, GR lần lượt là trọng lượng thùng, trọng lượng cánh, vật liệu, đai, và bánh răng vò).ng tính theo N

Trọng lượng thùng:

Trọng lượng vật liệu:

Tải trọng tác dụng lên 2 vành đai:

Tải trọng trên mỗi vành đai là:

Chọn góc giữa 2 con

lăn là 60o Góc giữa lực tác

dụng lên con lăn và phương

thẳng đứng là 30o

1 2 3 4

60o

Hình 3.5: Vành đai

1: Thành thùng 2: Vành đai 3: Chân đế 4: Con lăn đỡ

Lực tác dụng lên con lăn (theo ):

Mô men uốn: Mu = A.Q.R (N.cm)

Trong đó:

Q: Tải trọng thùng tác dụng lên đai, N Q = T

R: Bán kính trong vành đai, cm R = 122cm

A: Hệ số phụ thuộc kiểu lắp Vành đai lắp tự do trên chân đế, A = 0,08

 Mu = 0,08 109327,1 122 = 1067032,5 (N.cm)

Vành đai thép C35 có ứng suất cho phép [σ] = 14600 (N/cm2)

Mômen chống uốn:

Mặt khác:

Vậy chiều dày vành đai 80mm là đủ bền Với điều kiện trên thì ta có thể giảm độ dày đai Tuy nhiên vành đai cò).n có nhiệm vụ giữ thùng khi tiếp xúc với con lăn chặn nên không được mỏng quá, ta giữ nguyên kích thước

 Kiểm tra bền thùng

Lực phân bố trên một đơn vị chiều dài thùng ( ):

Do tác dụng của lực phân

bố, mô men uốn có giá trị

lớn nhất ở ba vị trí: hai vị

trí đỡ và giữa thân thùng

Giá trị mômen uốn ở hai vị trí đỡ (theo ):

Để thân thùng làm việc đồng đều, ta chọn khoảng cách giữa hai vị trí đỡ l sao cho

M1,2 = M3 Rút ra l = 0,586L Mômen uốn lớn nhất (theo ):

Mômen xoắn sinh ra khi thùng quay (theo ):

Trong đó:

N: công suất tiêu hao, kW

n: Số vò).ng quay của thùng, v/ph

L

l

M3

M1 M2

Hình 3.6: Biểu đồ lực, mômen tác dụng lên thùng

Mômen tính toán khi thùng chịu uốn và chịu xoắn (theo ):

Mômen chống uốn của tiết diện thân thùng (theo ):

Ứng suất sinh ra trên thùng (theo ):

σ < [σ] với [σ] = 146 N/mm2, là ứng suất cho phép vật liệu làm thành thùng Vậy thùng đảm bảo bền

3.5 Tính con lăn đỡ, con lăn chặn.

a Con lăn đỡ.

 Tính đường kính con lăn đỡ.

Bề rộng con lăn đỡ (theo ): Bc = B + (3 ÷ 5) (cm)

Chọn Bc = B + 5 = 20 + 5 = 25 (cm)

Chọn sơ bộ đường kính:

Sử dụng con lăn thép, đường kính được tính theo :



Mặt khác, kiểm tra điều kiện đường kính con lăn theo :

Với D là đường kính ngoài thùng

 0,25 260 ≤ d c ≤ 0,33 260 (cm)

 65 ≤ d c ≤ 85,8 (cm)

Chọn dc = 65 (cm)

 Kiểm tra bền con lăn đỡ.

Tải trọng trên một đơn vị chiều dài tiếp xúc con lăn – vành đai (theo Tr.283[3]):

Ứng suất tiếp xúc con lăn đỡ - vành đai (theo ):

Trong đó:

P: Tải trọng trên một đơn vị chiều dài tiếp xúc, N/cm E: Mômen đàn hồi của vật liệu, N/cm2 E = 2,1.107(N/cm2) (trang 95, Tiêu chuẩn thiết kế thép TCVN 338:2005)

R: Bán kính ngoài vành dai, cm R = 130cm

r : Bán kính ngoài con lăn, cm r = 32,5cm



Vậy con lăn đỡ làm từ thép CT5 đảm bảo bền

b Con lăn chặn

Lực tác dụng lớn nhất lên con lăn chặn (theo ):

Trong đó:

Q: Tải trọng toàn thùng

α : Góc nghiêng thùng, độ α = 2,5o

f : Hệ số ma sát giữa vành đai và con lăn chặn, thường lấy 0,1



Con lăn chặn chặn sát vào vành đai Chọn sơ bộ độ dày con lăn chặn: Bch=60mm

 chiều dài tiếp xúc là 60mm = 6cm

Tải trọng trên một đơn vị chiều dài tiếp xúc:

Ứng suất tiếp xúc con lăn chặn – vành đai (theo ):

Để đảm bảo điều kiện bền, phải có po < [σCT5] = 5.104 (N/cm2)

Ta có:

Chọn bán kính con lăn chặn r = 15cm, theo đó con lăn chặn đủ bền

3.6 Tính chọn lớp bảo ôn

Thùng sấy có đường kính lớn hơn nhiều lần chiều dày, có thể coi truyền nhiệt trong trường hợp này là truyền qua trường phẳng

Theo , mật độ dò).ng nhiệt truyền qua tường phẳng nhiều lớp:

Trong đó:

tf1, tf2: Nhiệt độ bề mặt trong, ngoài thành thiết bị, tương ứng là mặt trong thùng và mặt ngoài lớp bảo ôn Chọn tf1=650oC (trường hợp nhiệt độ thành cao nhất bằng nhiệt độ khói lò).) Chọn tf2=30oC

k: Hệ số truyền nhiệt vách phẳng nhiều lớp

Với:

α1: Hệ số tỏa nhiệt từ môi trường đến bề mặt vách Trong thùng không khí được đảo trộn nên xét như trường hợp đối lưu cưỡng bức Theo tài liệu [8], α1=(10 200) (W/m2K) Chọn α1 = 30W/m2K (thùng quay chậm, khả năng đảo trộn thấp)

α2: Hệ số tỏa nhiệt từ thành thiết bị ra ngoài môi trường

Theo tài liệu [8], α2=(5 25) (W/m2K) Chọn α2 = 10W/m2K

δi: Bề dày lớp thứ i

λi: Hệ số dẫn nhiệt lớp thứ i

Chọn vật liệu cách nhiệt là bông khoáng Rockwool do có khả năng chống cháy cao, cách nhiệt tốt và có thể chịu nhiệt độ tới 850oC Theo tài liệu [7], hệ số dẫn nhiệt lớp bảo

ôn λ2 = 0,036 W/m.oC

Như phần tính bề dày thùng đã liệt kê, hệ số dẫn nhiệt thép tấm sử dụng làm thân thùng λ1 = 50 W/m.oC

Như phần tính công nghệ, lượng nhiệt tỏa ra môi trường qmt = 145,89 (kJ/kg ẩm) Mỗi giờ thiết bị thất thoát lượng nhiệt là:

q = qmt.W = 146,89 2258,06 = 331686,4 (kJ/h) = 92,1 (kW) Coi 80% lượng nhiệt thất thoát là qua thành thiết bị, 20% do tổn thất tại bộ phận bít kín Mật độ dò).ng nhiệt truyền qua thành thiết bị là:

Với S là diện tích toàn bộ thành thiết bị

S = d.π.L = 2,2 3,14 11 = 76 (m2)

 δ2 = 0,014 (m) Vậy chiều dày lớp bảo ôn tối thiểu là dbo = 14mm

Chọn chiều dày lớp bảo ôn theo kích thước bán trên thị trường dbo = 25mm

3.7 Tính chọn các thiết bị phụ trợ

Tính chọn thiết bị lọc bụi

Chọn thiết bị lọc dạng xyclon vì có khả năng xử lý bụi khá nhỏ, cấu tạo đơn giản và giá thành thấp Tốc độ khí vào xyclon là 15 ÷ 20m/s, ở cửa ra là 5 ÷ 8m/s (theo Tr.98 [16])

Theo tính toán ở phần Tính công nghệ, lưu lượng thể tích của tác nhân sấy ở trạng thái ra khỏi thùng sấy V2 = 4,648m3/s = 16732,8m3/h

Theo bảng 1 phụ lục 4 Tr.207[16], chọn nhóm 4 xyclon loại đường kính 650mm