Nghiên cứu xây dựng quy trình thiết kế hệ thống vận chuyển sử dụng khí nén

Hình 1.1 Hệ thống vận chuyển dùng khí nén Trong hệ thống vận chuyển vật khối , vật được chuyển đi đến vị trí ở xa , có thể là khác mặt bằng lắp đặt hoặc không cùng một tòa nhà mà chỉ mất

Lời cảm ơn

Xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của thầy TS Phạm Huy Hoàng Xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô đã dành thời gian để duyệt và đóng góp ý kiến giúp cho luận văn được hoàn thiện

Xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giảng dạy chuyên ngành cao học chế tạo máy trường đại học bách khoa Tp.HCM niên khoá 2004 – 2006 đã truyền thụ nhiệt tình những kiến thức và kinh nghiệm trong suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu tại trường

Sau cùng , xin chúc quý thầy cô sức khoẻ và thành đạt

Tp.HCM , tháng 09 năm 2006 Người thực hiện

Phạm Xuân Hồng Sơn

MỤC LỤC

Trang

Chương 1 Tổng quan 5

1.1 Đặt vấn đề 5

1.2 Một số nghiên cứu xung quanh về hệ thống vận chuyển sử dụng khí nén 13

1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 24

1.4 Nhiệm vụ cụ thể của đề tài 24

Chương 2 Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế hệ thống vận chuyển khí nén 25

2.1 Cơ sở lý thuyết 25

2.1.1 Khái niệm 25

2.1.2 Các nguyên lý bảo toàn trong chuyển động của dòng lưu chất 25

2.1.3 Chuyển động rối của dòng lưu chất 27

2.1.4 Dòng hai pha 28

2.2 Cơ sở tính toán 29

2.2.1 Cơ sở tính toán cho vật liệu rời 29

2.2.1.1 Xác định vận tốc vật liệu rời đi trong ống 29

2.2.1.2 Vận tốc tối thiểu của dòng khí 31

2.2.2 Cơ sở tính toán cho vật khối 34

Chương 3 Xây dựng quy trình tính toán thiết kế hệ thống vận chuyển khí nén 3.1 Quy trình thiết kế cho vật liệu rời 38

3.1.1 Vận tốc treo 38

3.1.2 Vận tốc dòng khí 40

3.1.3 Lưu lượng khí 42

3.1.4 Aùp suất không khí trong ống dẫn 42

3.1.5 Xác định tổn thất áp suất 43

3.1.5.1 Tổn thất áp suất do ma sát 43

3.1.5.2 Tổn thất áp suất do thắt nhỏ và mở rộng dòng chảy đột ngột 44

3.1.5.3 Tổn thất do những đoạn cong gây ra 46

3.1.5.4 Tổn thất ở miệng vào ra của hệ thống 47

3.1.5.5 Tổn thất ở vị trí phân dòng hoặc nhâp dòng của hệ thống 48

3.1.6 Tính toán thiết kêế quạt 50

3.1.7 Công suất động cơ điện 51

3.1.8 Thiết kêế bộ truyền động 51

3.2 Quy trình thiết kế cho vật khối 51

3.2.1 Lực cản trong chuyển động của carrier 51

3.2.2 Aùp suất đẩy 52

Chương 4 Xây dựng phần mềm tính toán thiết kế hệ thống 4.1 Giới thiệu phần mềm Matlab 53

4.2 Mô hình toán 53

4.3 Lập trình 58

4.4 Tính toán thiết kế theo phương pháp truyền thống 68

4.5 Năng suất thiết bị 73

4.6 Tính toán cho carrier 74

4.7 So sánh kết quả tính toán giữa lập trình và mô phỏng 78

4.8 Tính toán thiết kế thiết bị quạt 79

4.8.1 Thiết kế quạt ly tâm 83

4.8.2 Thiết kế trục quạt 90

4.8.3 Thiết kế bộ truyền đai 95

4.8.4 Chọn ly hợp 97

Chương 5 Kết luận và hướng phát triển của đề tài 5.1 Kết luận 99

5.2 Hướng phát triển của đề tài 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

PHỤ LỤC 101

ABSTRACT

Among transportant technology for materials is pneumatic conveyor

There is more advantages in this transport form than many kind conveyors

The system pneumatic conveyors can be installed anywhere even though there is limited space or building obstructions

Major advantages are that material is completely enclosed and it is easy to implement turns and vertical moves Air pressure is used to conveyor materials through a system

of vertical and horizontal tubes

In industry , pneumatic conveyor can be used for bulk and unit movement of materials

In service or hospitals , they are used to transport items or paperwork

Viet Nam is an agricultural country, it is necessary to used this system in cereal processing

So it must be researched and manufacted well in future

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Cho đến hiện nay, các nhà máy sản xuất công nghiệp, năng lượng, chế biến nông sản,vv vẫn sử dụng các loại băng tải cơ khí để di chuyển các nguyên liệu, bán thành phẩm đến vị trí yêu cầu Ở những nhà máy có công suất lớn hoặc thành phẩm có kích cỡ và khối lượng lớn thì kích thước băng tải phải lớn và tiêu thụ nhiều điện năng Người ta phải quan tâm nhiều đến không gian, vị trí lắp đăït cho thiết bị, nhiều loại băng tải rất cồng kềnh, khối lượng rất nặng, trong một mặt bằng sản xuất, không gian choán chỗ của băng tải có thể tới 15% tổng diện tích Bên cạnh đó, các nhà máy phải chi phí cho vấn đề bảo dưỡng thiết bị và đội ngũ bảo trì thường xuyên kiểm tra và giám sát tình trạng hoạt động của thiết bị Ở các dây chuyền sản xuất loại này, con người nhận thức sâu sắc được tổn thất, chi phí to lớn do ngừng sản xuất vì máy móc hư hỏng Thời gian ngừng máy luôn ảnh hưởng đến khả năng sản xuất của thiết bị do làm giảm sản lượng , tăng chi phí vận hành và gây trở ngại cho dịch vụ khách hàng Nền sản xuất hàng loạt với số lượng lớn , kênh cung cấp dài không còn đáp ứng nhu cầu của khách hàng Nhu cầu khách hàng ngày càng đòi hỏi được phục vụ tốt hơn , yêu cầu chất lượng phải cao hơn đồng thời chi phí phải thấp Đó là một thách thức cho nền sản xuất công nghiệp trên thế giới Vì vậy cần phải cải tiến thiết bị , thiết kế nhỏ gọn các máy móc , làm giảm tiêu hao năng lượng của thiết bị Cần phải có một quan điểm mới trong thiết kế , việc thu nhỏ thiết bị, máy móc của hệ thống sản xuất là vấn đề mà các nhà sản xuất quan tâm Những nhà máy sản xuất thông minh với kích thước nhỏ đang có xu hướng phát triển mạnh trong thế kỷ 21 Một hệ thống sản xuất nhỏ sẽ tạo ra năng suất cao hơn nhưng lại ít tiêu tốn cả về năng lượng và nguồn nhân lực

Một điểm nổi bật của hệ thống sản xuất nhỏ gọn là chiếm rất ít không gian làm việc , dễ dàng và tiện ích hơn nhiều cho người sử dụng Mặt khác vấn đề môi trường ngày nay cần phải được coi trọng , vì vậy, các thiết bị mới có kích thước nhỏ gọn theo xu hướng thế kỷ 21 phải cải thiện vấn đề này để không gây ô nhiễm cho môi trường

Một hệ thống vận chuyển sử dụng khí nén có thể khắc phục các nhược điểm trên, có độ an toàn sử dụng cao hơn, ít tiêu hao năng lượng hơn , không cần không gian lớn cho việc lắp đặt Vị trí lắp đặt hệ thống có thể bị giới hạn về không gian hoặc bị cảøn trở bởi tòa nhà Ở những vị trí như thế , bán kính đoạn uốn cong của ống dẫn có thể là

1200 mm và hướng cong có thể là hướng lên, hướng xuống, hoặc hướng ngang vv… mà hoàn toàn không gây trở ngại cho sự hoạt động của hệ thống

Hình 1.1 Hệ thống vận chuyển dùng khí nén Trong hệ thống vận chuyển vật khối , vật được chuyển đi đến vị trí ở xa , có thể là khác mặt bằng lắp đặt hoặc không cùng một tòa nhà mà chỉ mất vài giây

Người sử dụng đặt tải vào carrier rồi đặt chi tiết này vào cánh cửa trong thiết bị chuyển đi Sau khi đóng cửa, ta ấn nút gửi đi, ngay lập tức carrier hoạt động chuyển vật đến thiết bị nhận, lúc này cửa thiết bị nhận ở đầu kia phải khóa lại cho đến khi dòng khí nén ngừng thổi ở trước thiết bị nhận

1.1.1 Các dạng vật liệu đi trong hệ thống ống :

a/ Dạng vật khối :

Carrier là chi tiết chứa các đồ cần chuyển đi trong hệ thống khí nén dạng khối Hệ thống này gồm một thiết bị chuyển , một thiết bị nhận , carrier và hệ thống ống dẫn Hệ thống này sử dụng hệ thống khí nén có áp suất thấp , hệ thống được lắp đặt ở những vị trí có thể bị giới hạn về không gian hoặc bị cản trở bởi tòa nhà , tường chắn, vv , ống dẫn của hệ thống có thể hướng lên , hướng xuống , hướng cong , vv

Hệ thống có thể chuyển đơn đặt hàng , mẫu thí nghiệm , tiền bạc , dược liệu , thuốc dùng trong y khoa ,vv bằng carrier mà trong lượng có thể lên tới 7 kg và vận tốc di chuyển của nó có thể lên tới 6 m/s và có thể đi xa 600 m

Hình 1.2 Không gian lắp đặt hệ thống vận chuyển Carrier Để carrier di chuyển được trong hệ thống ống dẫn , khí nén phải tạo ra một áp lực đẩy lớn hơn lực cản ở phía trước , lực ma sát giữa carrier và thành ống , lực quán tính cũng như trọng lượng bản thân của carrier

Carrier được chế tạo bằng vật liệu polyetylen có độ bền cao , chịu mài mòn tốt Carrier có hình dạng trụ , đường kính có thể là 75 mm , 100 mm , hoặc 150 mm , chiều dài tiêu chuẩn tương ứng là 250 mm , 300 mm hoặc 350 mm Mặt ngoài của carrier được thiết kế có dạng khí động lực học và trơn láng để tối thiểu ma sát, chiều dài và thể tích carrier có thể thay đổi được

Ngày nay các bệnh viện , ngân hàng , phòng thí nghiệm , hoặc các nhà máy sản xuất, vv… ở nước Mỹ đã bắt đầu sử dụng hệ thống này cho hiệu quả cao , giảm chi phí đáng kể, trong tương lai , nó sẽ trở thành phổ biến , thông dụng

b/ Dạng vật liệu rời :

Hệ thống vận chuyển bằng khí nén còn được sử dụng trong nông nghiệp thu hoạch nông sản , chế biến thức ăn gia súc , hoặc trong vận chuyển từ kho bãi này sang kho khác , khai thác khoáng sản , hoặc bốc dở hàng hóa lên –xuống tàu , container Năng suất của hệ thống vận chuyển khí có thể đạt đến 800 tấn/h , chiều cao vận chuyển có thể tới 100m , chiều dài vận chuyển có thể lên tới 2000m

Để cho hỗn hợp không khí và các vật liệu chuyển động được trong ống dẫn thì phải tạo được chênh lệch áp suất ở hai đầu ống , nói cách khác là tạo ra áp lực Áp lực tạo

ra bằng cách giảm áp suất ở cuối ống hút hoặc tăng áp ở đầu ống đẩy

Áp suất dòng khí có thể sử dụng áp suất dương như ở hệ thống đẩy vật liệu hoặc sử dụng áp suất âm như ở hệ thống hút vật liệu Mặt khác aÙp suất dòng khí lại phụ thuộc vào nồng độ vật liệu, đó là tỷ lệ giữa khối lượng vật liệu và khối lượng không khí trong ống dẫn

Hiệu quả vận chuyển của hệ thống phụ thuộc vào vận tốc khí , vận tốc khí đòi hỏi phải được duy trì trong một dòng liên tục và hiệu quả để không gây thiệt hại cho vật liệu chuyển đi

Vận tốc khí yêu cầu phụ thuộc rất nhiều vào mật độ khối lượng vật liệu được chuyển

đi , đồng thời vận tốc khí phụ thuộc loại hạt đi trong hệ thống

Ngoài ra , tỷ số giữa suất lượng pha rắn và pha khí thường ở trong khoảng từ 1 đến 20, nhưng không quá 80 và vận tốc không khí thường bằng hoặc lớn hơn vận tốc thăng bằng của hạt rắn

Vận chuyển vật liệu rời bằng khí động là dùng khí để vận chuyển vật liệu đi trong ống ở trạng thái lơ lửng Vận chuyển bằng khí động được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp để vận chuyển vật liệu rời, vật liệu dạng sợi ngắn ở trạng thái khô , không bị dính bết Trong công nghiệp người ta thường dùng hệ thống khí nén để chuyển các loại vật liệu rời như hạt ngũ cốc , cà phê , lúa mì , sợi , chè , cát vv , từ

vị trí này sang vị trí khác trong dây chuyền công nghệ

Điều kiện cơ bản để các phần tử hạt rắn có thể lơ lửng trong dòng không khí là lực tác dụng lên phần tử hạt rắn do dòng không khí chuyển động từ dưới lên trên đối với ống

thẳng đứng hoặc nằm ngang phải thăng bằng với trọng lượng của hạt hoặc lớn hơn trọng lượng của hạt

Phân loại hệ thống vận chuyển :

Với hệ thống vận chuyển vật liệu rời bằng khí động có thể được phân loại như sau : Theo áp suất tạo ra từ các hệ thống:

- Các hệ thống áp suất thấp và tổn thất áp suất không vượt quá 3

- Có khả năng vận chuyển vật liệu với nồng độ hỗn hợp khá lớn

- Có khả năng vận chuyển vật liệu đi xa hơn với tổn thất áp suất lớn hơn 105 (N/m2) , tuy nhiên nhiều hệ thống đẩy có nhược điểm là cần phải đưa vật liệu vào cyclone chứa , nghĩa là từ vùng áp suất thấp vào vùng áp suất cao cần có cơ cấu phức tạp Theo hệ thống đẩy hoặc hệ thống hút :

- Hệ thống hút vật liệu , áp suất hệ thống là âm :

bồn chứa bồn chứa

bồn lọc khí bơm hút van tháo liệu

đường ống

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống hút vật liệu rời Trên hình 1.3 trình bày sơ đồ cấu tạo của hệ thống hút vật liệu Trong hệ thống này bơm hút là bơm chân không Khi bơm hút hoạt động , toàn bộ hệ thống làm việc với áp suất âm ( vì áp suất này nhỏ hơn áp suất khí quyển ) do có chênh lệch áp suất mà không khí ngoài trời đi vào vòi hút mang theo vật liệu đi theo ống dẫn Dòng khí mang theo vật liệu vào bộ phận tháo liệu , ở đây dòng khí bị giảm tốc độ nên các hạt vật liệu được lắng lại và tháo ra ngoài qua van tháo liệu , dòng khí lại tiếp tục đi vào bầu lọc khí và bụi lắng lại được tháo ra ngoài qua ống dẫn và van tháo bụi Sau đó

dòng khí đi vào bộ phận lọc để lọc hết bụi làm sạch không khí một cách triệt để rồi vào bơm hút

Các thông số liên quan đến vận chuyển hạt vật liệu bằng khí động là áp suất khí, vận tốc khí , mật độ khí , kích thước vật liệu được vận chuyển

Hệ thống hút có ưu điểm là làm việc ổn định , lấy liệu vào đơn giản , có thể lấy liệu vào hệ thống ở nhiều vị trí , khi làm việc , bụi vật liệu không bị rò rỉ ra môi trường xung quanh Nhưng nó cũng bị hạn chế bởi áp suất do bơm hút tạo ra nên không thể dùng để vận chuyển đi xa được và năng suất không cao

- Hệ thống đẩy vật liệu , áp suất hệ thống là dương :

Không khí được quạt cao áp hoặc máy nén đẩy vào ống dẫn với áp suất lớn hơn áp suất khí quyển Vật liệu từ bộ phận tiếp liệu rơi xuống đi qua van và được dòng khí nén đẩy đi Có hai loại thiết bị thổi khí : “quạt ly tâm” và “quạt lưu lượng ”, kích thứơc ống và vật liệu làm ống cũng có thể thay đổi theo nhu cầu máy sử dụng Đường kính ống có thể thay đổi từ 100 mm đến 200 mm, vật liệu làm ống có thể được mạ, hoặc làm bằng nhôm, hoặc bằng cao su , bề mặt trong của ống thường trơn láng Loại hệ thống đẩy có ưu điểm là tạo ra áp lực lớn , đẩy được các loại vật liệu nặng hơn , đi xa hơn , tốn ít không khí và tiêu hao năng lượng ít Sơ đồ hệ thống đẩy bằng không khí nén với áp suất thấp và trung bình gồm quạt thổi khí có áp suất, các cyclone chứa hạt , van và hệ thống ống dẫn , hệ thống được bố trí như hình vẽ 1.4

quạt đẩy

vanbồn chứa

bồn chứađường ống

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống đẩy vật liệu rời Nhược điểm : hay tạo ra bụi , vì vậy kết cấu các bộ phận phải kín để tránh phì bụi ra môi trường xung quanh

_ Hệ thống kết hợp :

Việc lấy vật liệu vào ống tiến hành bằng quá trình hút , còn vận chuyển vật liệu đến

vị trí tháo liệu bằng quá trình đẩy

Công suất của thiết bị vận chuyển khí nén phụ thuộc vào khả năng quạt cấp đủ cho cửa hút và đảm bảo áp suất đầu ra để khắc phục sự tổn thất áp suất với các lý do sau:

- Ma sát khí làm tổn thất áp suất ở đầu vào vòi hút

- Ma sát khí làm tổn thất áp suất đi trong đường ống Sự giảm này phụ thuộc vào chiều dài và đường kính ống , loại ống và độ uốn cong trong hệ thống ống

- Ma sát gây tổn thất áp suất ở các cyclone, các cyclone tiêu tán năng lượng của khối hạt - khí để tách hạt ngũ cốc ra khỏi dòng khí

- Ma sát làm tổn thất chiều cao cột khí đứng được tạo ra ở các độ cao khác nhau trong hệ thống

- Tổn thất do gia tốc của hạt

- Tổn thất để nâng hạt lên các độ cao khác nhau trong hệ thống

- Ma sát làm tổn thất do sự di chuyển của hạt trong ống nằm ngang và xung quanh các đoạn uốn cong

Sự di chuyển có hiệu quả của hạt thông qua hệ thống bị phụ thuộc vào vận tốc khí Vận tốc khí đòi hỏi phải được duy trì trong một dòng thổi hiệu quả và không gây thiệt hại gì cho hạt vật liệu Vận tốc khí yêu cầu phụ thuộc rất nhiều vào mật độ khối lượng vật liệu được chuyển đi Với việc vận chuyển các loại nông sản , vận tốc khí có thể đạt 40 m/s [tài liệu 10]

Vận tốc khí lại xác định lưu lượng dòng (m3/s) và đường kính ống , vận tốc dòng khí cũng xác định loại dòng hạt ngũ cốc di chuyển trong ống

Vận tốc của vật liệu rời trong hệ thống vận chuyển khí nén phụ thuộc vào loại quạt thổi khí , loại hạt vật liệu được vận chuyển Ngoài ra, còn phụ thuộc vào độ mở cửa khí nạp , chiều dài ống dẫn hút khí, chiều dài ống dẫn khí lấy hạt ra, đường kính ống, ống sử dụng là ống cao su hay ống cứng, cũng như độ kín khít của các khớp nối Tốc độ vận chuyển lớn nhất cho các loại hạt thì rất phụ thuộc vào sự duy trì bình ổn Chất lượng vận chuyển và sự hư hỏng hạt :

Thường xuyên kiểm tra để xác định tổng số hạt bị vỡ sau một khoảng thời gian vận chuyển Lượng tăng số hạt nứt ở mỗi lần kiểm tra là 0.15% đến 0.5% , điều này chứng tỏ nếu số lượng vận chuyển qua hệ thống ít nhất thì sự hư hại hạt không đáng

lo ngại Giữa hai hệ thống vận chuyển hút và đẩy vật liệu đều không khác nhau về sự

hư hại hạt khi vận chuyển Yếu tố gây ảnh hưởng lượng hạt hư hại là loại ống dẫn, số đoạn ống uốn cong , dạng van khí và loại mối nối ống dẫn

Aûnh hưởng của nhiệt độ lên nhiệt độ của vật liệu là hạt ngũ cốc :

Sau khi qua một lần vận chuyển: đối với quạt thôỉ thể tích nhiệt độä của hạt tăng 3.50C , còn đối với quạt ly tâm nhiệt độ của hạt không tăng

1.1.2 So sánh sự giống nhau và khác nhau giữa vận chuyển vật khối (carrier) và vật liệu rời trong hệ thống khí nén :

a/ Giống nhau :

Cả hai hình thức đều sử dụng khí nén để vận chuyển trong hệ thống ống Quạt thổi là cần thiết cho cả hai hệ thống Ở chỗ uốn cong , ống cong có thể hướng lên , hướng xuống , chạy ngang vv…

Các hệ thống vận chuyển bằng khí động có ưu điểm như : có khả năng vận chuyển vật liệu ở những nơi khó lấy , mặt bằng chật hẹp , hoặc bị cản trở , chế tạo và lắp ráp đường ống tốn phí không nhiều

Có thể cơ giới hóa quá trình bốc dỡ vật liệu , chi phí vận hành thấp

b/ Khác nhau :

Ở dạng khối :

- Khí nén tạo ra áp lực đủ lớn để thắng trọng lượng bản thân của carrier , lực cản ma sát , lực quán tính Để carrier di chuyển được cần có sự chênh lệch áp suất ở phía trước và phía sau carrier

- Aùp suất khí nén thấp , vận tốc vận chuyển thấp ( ≤ 6 m/s)

- Aùp suất được tạo ra từ quạt áp suất hoặc máy nén

- Hệ thống được trang bị thiết bị chuyển và thiết bị nhận

- Sự chuyển động của vật khối là do cân bằng lực , áp suất

Ở dạng vật liệu rời :

- Sự chuyển động của hạt tương tự như dòng chảy rối hai pha khí-hạt Khi chất khí chuyển động chúng sẽ lôi cuốn các hạt vật liệu chuyển động theo , làm cho các hạt bị bốc lên rồi lại rơi xuống , cứ như thế mà hạt được di chuyển theo dòng khí nén

- Điều kiện cơ bản để các hạt rắn lơ lửng trong không khí thì lực tác dụng lên hạt rắn

do dòng khí nén chuyển động từ dưới lên trên đối với ống thẳng đứng hoặc nằm ngang phải thăng bằng với trọng lượng hạt hoặc lớn hơn trọng lượng hạt

- Áp suất khí nén thường có mức trung bình hoặc cao , vận tốc di chuyển của hạt có thể lớn ( 30 ÷ 40 m/s)

- Aùp suất được tạo ra từ quạt lưu lượng

- Sự chuyển động của vật liệu rời có bản chất là dòng hai pha rắn – khí

Trong hệ thống phải bố trí các cyclone chứa hạt và cyclone tách hạt

1.2 Một số nghiên cứu xung quanh về hệ thống vận chuyển khí nén:

Vận chuyển vật liệu rời bằng không khí dựa trên nguyên lý vận dụng khả năng chuyển động của dòng không khí đi trong ống dẫn với tốc độ nhất định để mang vật liệu từ chỗ này sang chỗ khác dưới trạng thái lơ lửng

Theo lý thuyết thì có thể dùng không khí nén để vận chuyển vật liêu rời có khối lượng riêng và kích thước hạt bất kỳ Nhưng vì năng lượng tiêu tốn tăng nhanh gấp nhiều lần so với trọng lượng của hạt vật liệu, cho nên trong thực tế phạm vi ứng dụng kỹ thuật vận chuyển bằng khí nén bị hạn chế

Tính chất của khối hạt vật liệu rời :

Một khối hạt vật liệu rời, đặc biệt khi hạt khô và không dính , có nhiều tính chất giống như một lưu chất Khi hạt tạo nên áp suất ở các phía và lên vách thành ống dẫn , có thể chuyển động qua khe hở hoặc máng nghiêng Tuy nhiên , khối hạt và lưu chất có những điểm khác nhau như sau :

Các hạt có thể lồng (bắc cầu) vào nhau dưới tác động của áp suất và không thể trượt lên nhau cho đến khi lực tác động đạt đến một giá trị đáng kể Hạt và khối hạt thường chống lại sự biến dạng nhưng khi lực tác động đủ lớn thì lớp hạt này sẽ trượt lên lớp hạt khác xuất hiện sự ma sát đáng kể Có sự tương tự giữa dòng chuyển động có vật liệu rời và dòng chuyển động của chất lỏng dẻo phi Newton

Khối hạt có những tính chất đặc biệt sau :

- Mật độ của khối hạt thay đổi theo độ nén chặt của khối hạt Tùy thuộc vào tính chất lưu chuyển của khối hạt mà vật liệu rời được chia làm hai loại : dính kết và không dính kết Vật liệu không dính kết như hạt ngũ cốc , cát , vv… sẵn sàng chuyển động ra khỏi ống dẫn hay cyclone Vật liệu dính kết như đất sét ướt đặc trưng bởi trở lực chống lại chuyển động của vật liệu

- Aùp suất trong khối hạt : áp suất trong khối hạt theo phương pháp tuyến với áp suất tác động thì có giá trị cực tiểu Trong một khối hạt đồng nhất tỷ số giữa áp suất pháp tuyến và áp suất tác động bằng hằng số K , đó là thông số đặc trưng cho vật liệu , K tùy thuộc vào hình dạng và khuynh hướng lồng vào nhau của các hạt , vào tính chất kết dính giữa bề mặt các hạt và mức độ nén chặt của khối hạt , K gần như độc lập với kích thước hạt trừ khi hạt rất nhỏ và không còn lưu chuyển tự do

Hình 1.5 là áp suất tại một điểm bất kỳ của hạt vật liệu rời

Nếu gọi áp suất tác động là pv và áp suất pháp tuyến là pL , áp suất p tại một góc bất kỳ θ được xác định như sau : Xét một tam giác vuông góc vi cấp có bề dày b và cạnh huyền dL như hình vẽ 1.5 Áp suất pv và pL tác động lần lượt lên hai cạnh góc vuông

Ở điều kiện cân bằng các áp suất không bằng nhau pv và pL không thể cân bằng với một áp suất p , do đó xuất hiện một ứng suất τ

pbdLcos0sin0 pbdLsin0

Tương tự , ta cân bằng các thành phần lực song song với cạnh huyền :

τ = (pv – pL) cosθsinθ

Khi θ = 0 thì p = pv ; khi θ = 900 thì p = pL , cả hai trường hợp này τ = 0

Khi 0 < θ < 900 thì có một ứng suất theo phương vuông góc với p

Như vậy trong khối hạt :

- Aùp suất không bằng nhau trong mọi phía Nói chung , áp suất tác động vào một phía sẽ tạo nên các áp suất ở các phía khác nhau nhưng luôn luôn nhỏ hơn áp suất tác động và tối thiểu theo phương pháp tuyến với áp suất tác động

- Ứng suất tác động lên bề mặt khối hạt sẽ được truyền đi khắp khối hạt tĩnh trừ khi khối hạt bị rỗng

Một số nghiên cứu hệ thống khí nén ở nước ngoài

Government of Alberta đã giới thiệu hệ thống vận chuyển sử dụng khí nén với nhiều tính năng ưu việt hơn so với phương thức vận chuyển kinh điển

Một trong những ứng dụng này là ở miền tây nước Canada người ta sử dụng hệ thống vận chuyển khí nén phục vụ trong nông nghiệp để vận chuyển các loại hạt ngũ cốc khác nhau sau khi thu hoạch hình 1.6

VaØo năm 1976, Viện máy nông nghiệp Prairie đã đánh giá và so sánh hệ thống vận chuyển các loaị hạt ngũ cốc khác nhau về hiệu quả làm việc , các đặc tính tốc độ , công suất yêu cầu , số lượng công việc thao tác , độ an toàn vv…

Hình 1.6 Hệ thống vận chuyển vật liệu rời bằng khí nén Hình1 7 là lưu lượng vận chuyển lớn nhất cho 4 loại hạt khác nhau Lưu lượng vận chuyển lớn nhất cho thiết bị vận chuyển khí nén sử dụng quạt thể tích gần như gấp đôi so với hệ thống sử dụng quạt ly tâm Dòng khí có khả năng vận chuyển một khối lượng lớn hạt ngũ cốc , với mật độ hạt khác nhau

Ảnh hưởng của thông số đường kính ống : Dòng hạt ngũ cốc hình thành ngay tại cửa vào , ống có đường kính lớn hút nhiều hạt hơn ống có đường kính nhỏ Tuy nhiên phải duy trì vận tốc khí đủ để bảo đảm dòng hạt đưa vào ổn định, do đó đường kính ống phải bằng kích thước đầu thổi ra của quạt

Hình 1.7 Lưu lượng vận chuyển lớn nhất cho 4 loại hạt ngũ cốc

Ảnh hưởng của chiều dài ống : Dòng khí và dòng hạt chuyển động sẽ tăng tổn thất khi đường ống dẫn vào và đường ống dẫn lấy hạt ra có chiều dài tăng lên

Hình 1.8 cho thấy ảnh hưởng lưu lượng vận chuyển cho lúa mạch ở hai loại thiết bị khi chiều dài ống dẫn vào và ống dẫn dùng tách khí-hạt ra tăng đến giá trị 30.5 m

Hình 1.8 Aûnh hưởng của chiều dài ống dẫn đến lưu lượng vận chuyển

Khi chiều dài ống tăng lên , chuyển động dòng hạt không bằng phẳng và dòng hạt có khuynh hướng bị nghẹt lại , điều này có nghĩa vận tốc khí không đủ để duy trì ổn định dòng hạt Để tránh bị nghẽn tắt, cửa khí ï phải mở rộng thêm hoặc phải tăng lưu lượng khí lên bằng cách mở tối đa cửa hút vào Theo kết quả này vận tốc khí tăng lên nhưng lưu luợng vận chuyển giảm do sự giảm tỷ lệ hạt- khí trong dòng lưu chất Tuy nhiên khi tăng chiều dài ống dẫn dòng khí-hạt ở đầu tách hạt ra thì ảnh hưởng sẽ không nhiều so với tăng chiều dài ống dẫn dòng khí-hạt ở đầu hút vào

Yêu cầu về năng lượng : Theo tài liệu Assessment of the Function Performance of pneumatic Grain Conveyor by prairie agriculture machinnery institute.C/cLcc Campus deth bridge, Alberta … (www1 agric Gov.ab.ca/ $ department/deptdocs.nsf/ all/eng

8064 ) có số liệu sau :

Yêu cầu năng lượng lớn nhất để vận chuyển lúa mì là 60.8 KW trong khi đó vận chuyển lúa mạch chỉ 49,9 KW Yêu cầu năng lượng lớn nhất khi dùng quạt ly tâm khi chạy không tải là 40.6 KW Khi đo trong điều kiện không tải hệ thống dùng quạt thổi

ly tâm cho thấy áp suất bên mặt thổi của van là 24.4 kPa , trong khi áp suất ở mặt hút khí vào của van là 2.8 kPa Khi hạt ngũ cốc đi vào hệ thống , độ hút trên đường ống

dẫn tăng lên và van điều chỉnh lưu lượng khí mở ra từ từ để làm giảm sức hút quá mức của quạt cần khắc phục Khi hệ thống chạy đấy tải van mở ra hoàn toàn và sức hút bên mặt thổi của van là 19.4 kPa trong khi sức hút bên ống hút vào của van là 18.8 kPa Tương tự cho vận chuyển các loại hạt khác nhau , giảm lượng khí được bơm sẽ giảm năng lượng của quạt thổi

Một số kiểu hệ thống sử dụng khí nén khác :

Trong hệ thống Gatty khí được hút vào từ một ống con ở bên trong đường ống vận chuyển chính Khó duy trì ở tình trạng tốc độ vận chuyển thấp ở hệ thống này

Hình 1.9 Hệ thống vận chuyển vật liệu rời có mật độ hạt cao Hệ thống Semco được mô tả trong figure 6

Hình 1.10 Mô hình vận chuyển hạt có mật độ hạt thấp

Hình 1.10 là hệ thống đẩy vật liệu rời có mật độ hạt thấp

Năm 1990 , một hệ thống mới vận chuyển ở tốc độ thấp được thiết kế bởi Molerus và Siebenhaar được mô tả như figure 16 Hệ thống này hoạt động tin cậy trong hệ thống có dao động do motor mất cân bằng gây nên Các dao động này gây ra sự chuyển động của dòng vật liệu ở tốc độ thấp để đi qua hệ thống , hệ thống này đặc biệt hữu ích cho vật liệu dễ vỡ ( hình 1.11)

Hình 1.11 Mô hình vận chuyển vật liệu rời của Molerus

Hình 1.12 là mô hình cấu tạo của một hệ thống đẩy vật liệu rời , hệ thống này sử dụng máy nén thể tích để tạo ra dòng khí có áp suất đẩy vật liệu di chuyển trong hệ thống ống dẫn

Hình 1.12 Mô hình hệ thống đẩy vật liệu rời Thiết bị vận chuyển bằng khí động có thể dùng vận chuyển vật liệu hạt rời hoặc khối hạt Aùp suất khí dùng để vận chuyển vật liệu đi trong hệ thống ống đứng và nằm ngang Ưu điểm chính của hệ thống này là vật liệu hoàn toàn đi trong hệ thống ống , việc thực hiện chuyển hướng hoặc di chuyển theo phương thẳng đứng rất dễ dàng

Hình 1.13 Thiết bị vận chuyển hạt vật liệu rời Hình 1.13 là thiết bị vận chuyển vật liệu rời bằng khí nén Hỗn hợp khí và hạt được chuyển động trong ống dẫn Hệ thống đẩy ưÙng với áp suất dương , vật liệu được đẩy từ một bồn chứa đến nhiều nơi khác nhau để tháo vật liệu ra Với hệ thống hút ứng với áp suất âm hoặc chân không , vật liệu được hút từ nhiều bồn chứa khác nhau để

đến một nơi tháo vật liệu Ngoài ra còn có hệ thống kết hợp với nhiều nơi lấy vật liệu vào hệ thống và nhiều nơi để tháo vật liệu ra

Hình 1.14 Mô hình hệ thống đẩy carrier dùng khí nén Hình 1.14 mô tả chuyển động của Carrier trong hệ thống Carrier là vật được dùng để chuyển các loại giấy tờ, hóa đơn, tiền bạc, vv… Sự di chuyển của carrier là nhờ vào dòng khí nén có áp suất thấp đi trong hệ thống

Hình 1.15 Hình dạng của một loại carrier Hình 1.15 là một loại Carrier dùng trong hệ thống vận chuyển sử dụng khí nén

Hình 1.16 Thiết bị vận chuyển xi măng dùng khí nén

Trong ngành công nghiệp ximăng , việc vận chuyển ximăng bằng khí động ngày càng trở nên thông dụng vì có nhiều ưu điểm hơn so với vận chuyển bằng hệ thống băng tải hoặc một số hệ thống khác Hình 1.16 là sơ đồ một hệ thống thông dụng

Việc vận chuyển bằng khí động sẽ giảm rất nhiều bụi bẩn trong nhà máy , bảo đảm sự trong sạch của môi trường xung quanh , do vậy giảm số người mắc bệnh bụi phổi Với hệ thống ống dẫn , ximăng được vận chuyển linh hoạt hơn , ống dẫn có thể hướng lên , đi xuống và đến thẳng các thiết bị , do vậy không cần các khung giàn , giá đỡ như các băng tải nên mặt bằng sản xuất được thông thoáng , tạo tâm lý thoải mái cho con người

Tình hình trong nước :

Khi Việt Nam gia nhập các tổ chức thương mại AFTA và WTO thì yêu cầu về chất lượng sản phẩm rất cao Với chất lượng và mẫu mã của sản phẩm như hiện nay , hàng hóa của Việt Nam không thể cạnh tranh với các sản phẩm của nước ngoài Để nâng cao chất lượng sản phẩm , tăng tính cạnh tranh hàng hóa buộc chúng ta phải có một nền sản xuất công nghiệp hiện đại với nhiều công nghệ và kỹ thuật mới trong sản xuất, vận chuyển vv…

Việt Nam là một nước nông nghiệp , việc trồng trọt , chế biến nông sản , vận chuyển hàng hóa vv… , còn mang tính thủ công, do đó chưa đáp ứng yêu cầu của những thị trường quan trọng Để giải quyết những vấn đề nêu trên , các nhà máy, xí nghiệp phải áp dụng các công nghệ, kỹ thuật mới vào sản xuất

Một trong những công nghệ phục vụ cho quá trình sản xuất và chế biến nông sản là kỹ thuật vận chuyển vật liệu sử dụng dòng khí động Hình thức vận chuyển này có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp vận chuyển bằng băng tải nên ngày càng được sử dụng rộng rãi

Ngoài ra , vận chuyển bằng khí nén còn ứng dụng trong lãnh vực dịch vụ, trao đổi, mua bán Hệ thống vận chuyển vật khối có thể chuyển tiền , hóa đơn , giấy tờ, mẫu thí nghiệm vv… từ vị trí này sang vị trí khác không cùng nằm trong một mặt bằng hoặc

bị cản trở ở không gian xung quanh Tiện ích mà loại hình vận chuyển này đem lại là rất lớn

Qua khảo sát một số nghiên cứu về hệ thống vận chuyển sử dụng khí nén cho thấy, tất cả các hệ thống chỉ tính toán cho một dạng vật liệu cụ thể mà chưa đưa ra một quy trình tính toán chung cho mọi dạng vật liệu đi trong hệ thống ống dẫn Tuy nhiên , trong thực tế hệ thống có thể vận chuyển cho nhiều loại vật liệu cũng như hình dạng vật là một khối hay là hạt rời

Bên cạnh đó vị trí lắp đặt hệ thống ống dẫn bị hạn chế về không gian hoặc bị cản trở bởi tòa nhà , hoặc mặt bằng bố trí thiết bị khác nhau vv , là những yếu tố có ý nghĩa rất quan trọng trong thực tế sản xuất cũng như trong tiện ích sử dụng

Hệ thống vận chuyển sử dụng khí nén với những ưu điểm trên sẽ là khuynh hướng phát triển trong công nghiệp và nông nghiệp ở thế kỷ 21 Đây là yếu tố quan trọng để

tăng hiệu quả trong sản xuất , giảm chi phí , hạ giá thành sản phẩm đồng thời bảo đảm được công tác bảo trì thiết bị

Xuất phát từ những nhu cầu thiết thực trong sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp, cũng như do ưu điểm của hệ thống vận chuyển này mà chúng tôi thực hiện đề tài

“ Nghiên cứu xây dựng quy trình thiết kế hệ thống vận chuyển sử dụng khí nén “ 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài:

Nghiên cứu phương pháp tính toán thiết kế hệ thống vận chuyển sử dụng khí nén cho hai trường hợp : vật liệu rời và vật liệu khối

1.4 Nhiệm vụ của đề tài:

_ Xây dựng quy trình tính toán thiết kế hệ thống vận chuyển sử dụng khí nén cho hai trường hợp : vật liệu rời và vật liệu khối

_ Xây dựng phần mềm tính toán thiết kế hệ thống sử dụng khí nén cho hai trường hợp vật liệu rời và vật liệu khối

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 Cơ sở lý thuyết :

2.1.1 Khái niệm

Lưu chất là những thể vật chất có các tính chất như tính chảy, tính liên tục , tính đẳng

hướng Khi lưu chất ở trạng thái cân bằng thì trên bất cứ bề mặt nào dựng lên trong

đó chỉ có lực pháp tuyến tác dụng mà không có lực tiếp tuyến

Tính nhớt là khả năng của lưu chất có thể chống lại được lực trượt Khi lưu chất

chuyển động nó chảy thành từng lớp vô cùng mỏng với vận tốc khác nhau, do đó trượt

lên nhau , giữa chúng xuất hiện lực ma sát , hiện tượng ma sát xảy ra trong nội bộ lưu

chất nên các lực này gọi là nội ma sát Đặc tính của lưu chất gây ra nội ma sát gọi là

tính nhớt và lực ma sát trong gọi là lực nhớt

Ứng suất nhớt được xác định theo định luật Newton về lực nhớt :

du : là gradient vận tốc theo phương n vuông góc với hướng dòng chảy ,

µ: hệ số tỷ lệ đặc trưng cho tính nhớt dộng lực ( đơn vị poazo : P )

1 P = 1 PaS = 1/10 ( Ns/m2)

Ngoài ra, người ta còn biểu thị độ nhớt bằng hệ số nhớt động ν = µ/ S (m2/s), trong

hệ CGS, ν có đơn vị stốc (St) , 1 St = 1cm2/s

Phần lớn các lưu chất trong thực tế tuân theo định luật Newton nên gọi là lưu chất

Newton

2.1.2 Các nguyên lý bảo toàn trong chuyển động của lưu chất

a/ Nguyên lý bảo toàn khối lượng trong hệ tọa độ 3 chiều:

Lượng gia tăng khối lượng trong phần tử lưu chất bằng khối lượng thực tế được nhận

vào phần tử lưu chất Lượng gia tăng khối lượng trong phần tử lưu chất được biểu

diễn bằng công thức :

z y x dt

d z y x dt

d

δδδ

ρδ

dρ + div(ρv ) = 0 [tài liệu 6] (2.1)

(2.1) là phương trình bảo toàn khối lượng hay phương trình liên tục của dòng không ổn định trong hệ tọa độ 3 chiều với lưu chất nén được, đối với lưu chất không nén được

ρ = const

b/ Phương trình bảo toàn động lượng trong hệ tọa độ 3 chiều :

Theo định luật 2 Newton lượng biến đổi động lượng của phần tử lưu chất theo thời gian bằng tổng các lực tác dụng lên phần tử lưu chất đó Lượng biến đổi động lượng của phần tử khối lưu chất hình khối với các cạnh δ x , δ y , δ z được xác định :

Du (δ δ δ )

dt

z y x

Tương tự phương trình động lượng theo phương y và phương z là :

τ xy = τ yx = ( )

dy

dudx

dwdy

dvdx

duddz

uddy

uddx

u

3)(

2 2 2 2 2

+ +

dwdy

dvdx

duddz

vddy

vddx

v

3)

2 2 2 2

+ +

dwdy

dvdx

duddz

wddy

wddx

w

3)(

2 2 2 2 2

+ +

Ta viết dưới dạng khác :

ρDt

Du =

-dx

dp + div( µ gradu) + SMx

ρDt

Dv =

-dy

dp + div( µ gradv) + SMy (2.6)

ρDt

Dw =

-dz

dp + div( µ gradw) + SMz [tài liệu 6]

2.1.3 Chuyển động rối của dòng lưu chất :

_ Trạng thái chảy tầng : dòng chảy được hình thành bởi các lớp lưu chất song song nhau , trượt trên nhau theo một quy luật nhất định

_ Trạng thái chảy rối : các phần tử lưu chất chuyển động hỗn loạn và không thể đoán trước đường đi của chúng, đồng thời với chuyển động chính dọc theo phương của dòng chảy các phần tử lưu chất còn thực hiện những dao động theo phương ngang ( xáo trộn ngang) Thực nghiệm của các hệ thống lưu chất cho thấy tồn tại một giá trị Reynold giới hạn Reghd nào đó (Re = vL/ν) với v, L và ν lần lượt là thành phần vận tốc , độ dài đặc trưng của dòng chảy và độ nhớt động học của lưu chất

Khi giá trị Re < Reghd , dòng chảy êm và các lớp lưu chất kề cận nhau trượt trên nhau lần lượt theo trật tự nhất định Nếu điều kiện biên không thay đổi theo thời gian , dòng chảy là ổn định và chế độ chảy là chảy tầng Tại giá trị giới hạn của hệ số Re trong dòng lưu chất bắt đầu xuất hiện các chuyển động hỗn loạn , dòng chảy trở thành không ổn định mặc dù các điều kiện biên không thay đổi , vận tốc và các đặc tính khác của dòng chảy thay đổi liên tục theo thời gian , trạng thái chuyển động của dòng chảy chuyển dần sang chảy rối và khi Re đạt tới một giá trị giới hạn trên nào đó (Reght ) thì dòng chảy trở thành chuyển động rối hoàn toàn

Giá trị giới hạn của hệ số Reynold phụ thuộc vào dòng chảy , vận tốc và độ nhớt của lưu chất Với dòng tia giá trị Reghd khoảng 10, tại các lớp biên rối có Reghd =91000 , đối với dòng chảy trong ống tròn Reghd = 2000

Khi dòng ở chế độ chảy tầng hoàn toàn có thể biểu diễn bằng các phương trình liên tục và Navie-Stock, trong trường hợp đơn giản có thể giải bằng phương pháp giải tích , trong trường hơp phức tạp có thể giải bằng phương pháp khối hữu hạn

2.1.4 Dòng hai pha :

Dòng hai pha tuân theo tất cả các quy luật cơ học chất lỏng và chất khí nhưng các phương trình phức tạp và nhiều hơn so với dòng một pha

Có hai trường hợp trong việc xây dựng mô hình dòng hai pha

Trường hợp 1 : sự khác nhau của vận tốc , nồng độ , nhiệt độ giữa các pha không lớn, thì coi là môi trường đồng nhất liên tục và sử dụng phương trình cơ bản dòng một pha Trường hợp 2 : sự khác nhau của vận tốc , nồng độ , nhiệt độ giữa các pha lớn , hình thành quá trình trao đổi chất và nhiệt mãnh liệt , lý thuyết cân bằng không còn chính xác nữa , khi đó sử dụng mô hình “ dòng riêng biệt “ , các phương trình được viết cho

từng pha và mối quan hệ giữa các pha được thể hiện thông qua lực tương tác giữa các

pha Trường hợp dòng hai pha đồng nhất , khi đó ta có sự cân bằng của các đại lượng

trung bình : U = Ug = Up , V = Vg =Vp và hệ phương trình cơ bản dòng hai pha có dạng

y

V U y

U V x

U U

j y j

y j

∂

) ( )

(

'ρρ

ρ (2.7)

y

V y

V x

V U

Điều kiện biên tại biên ngoài của dòng phun ( y = δ): = 0

∂

∂ y

V

2.2 Cơ sở tính toán :

2.2.1 Cơ sở tính toán cho vật liệu rời :

2.2.1.1 Xác định vận tốc vật liệu rời đi trong ống :

Xét đoạn ống thẳng đứng có tiết diện không đổi

Khi máy quạt làm việc nó tạo ra một độ chênh lệch áp suất gọi là hiệu số áp suất để

thắng sức cản của không khí từ trạng thái tĩnh sang trạng thái động với một vận tốc

nào đó Gọi lực tác động lên tiết diện ngang của hạt ( thẳng đứng từ dưới lên trên )

do dòng khí gây ra là P1 , ta có

P1 =

g

FKv2 2 0

g

Sv2

2

γλ hay P =

g

v2

2

γ (K0F +λS) (2.10) trong đó v là vận tốc chuyển động của lưu chất tại tiết diện đang xét (m/s)

g : gia tốc trọng trường , G : là trọng lượng vật liệu

F : tiết diện trực đối lớn nhất của hạt theo phương trực đối xứng

λ: hệ số ma sát giữa không khí và hạt

S : diện tích bề mặt xung quanh của hạt (m2)

K0 : hệ số tỷ lệ kể đến ảnh hưởng của sự chảy bọc quanh các hạt của dòng không khí

Hệ số này xác định bằng thực nghiệm phụ thuộc vào chuẩn số Reynold và kích thước

của hạt lơ lửng Nếu tiết diện trực đối với các trục đối xứng khác nhau của hạt không

giống nhau thì lực tác dụng lên hạt sẽ phụ thuộc vào trục đối xứng nào của hạt trùng

với chuyển động của dòng không khí Lúc đó trường hợp bất lợi nhất là tiết diện trực

đối bé nhất

Đối với hạt hình thon thì K0 =1 và không khí ở điều kiện tiêu chuẩnγ = 1,205 (kg/m3)

Đối với hạt hình cầu thì K0 thay đổi theo tiêu chuẩn số Reynold

Muốn cho không khí xung quanh từ trạng thái tĩnh hút vào miệng ống với vận tốc v thì

tại miệng hút áp suất toàn phần phải âm Hạt rắn có thể lơ lửng trong dòng không khí

tức là lực tác dụng lên phần tử hạt rắn do dòng không khí chuyển động từ dưới lên

trên gây ra phải bằng hoặc lớn hơn trọng lượng bản thân của hạt

Lực tác dụng lên tiết diện ngang của hạt trực giao với chiều chuyển động của dòng

g

Sv2

2

γ (K0F +λS) (2.11) Vận tốc treo vtr của dòng không khí là :

vtr =

SKoF

Gg

λ

+

2 (2.12)

Khi số Reynold < 2000 , hệ số ma sátλ giữa không khí và hạt là một hàm số của Re Khi chuyển sang chế độ chảy rối hệ số ma sát λ phụ thuộc vào hệ số Re vào độ nhám của bề mặt ống và hạt cũng như những chỗ nhấp nhô ở bên trong ống Trong thực tế chuyển động không khí trong ống dẫn thường là chế độ chảy rối và bề mặt trong các ống dẫn , bề mặt hạt đều có một độ nhám nhất định

Xét đoạn ống nằm ngang

Hình 2.2 Chuyển động của hạt vật liệu trong ống nằm ngang V.N Levinxon đưa ra công thức tính vận tốc treo cho những hạt có hình kéo dài chuyển động trong ống nằm ngang Trong trường hợp này , lực P trực giao với phương của lực G , do đó hạt sẽ rơi xuống và lăn theo ống Phần không khí bị cuốn theo các hạt sẽ gây ra một lực đẩy P’ nào đó làm cho hạt lại được bốc lên rồi lại rơi xuống , cứ như thế mà hạt bị tải đi theo dòng không khí Để xác định vận tốc lơ lửng trong trường hợp ống ngang trên cơ sở lý thuyết V.N Levinxon đưa ra công thức cho hạt rắn có hình kéo dài ( hình lăng trụ ) là

Vận tốc treo vtr được xác định theo công thức

vtr =

ρπϕ

ϕ dhlh

G)1( − (2.13) trong đó ρ = 0,002141 (kg/m2) là mật độ không khí

G là trọng lượng vật liệu , lh là chiều dài hình lăng trụ

dh là đường kính hạt lăng trụ

ϕ= v’/v là tỷ số vận tốc tịnh tiến của hạt và vận tốc của dòng không khí , ϕ được xác định theo thực nghiệm ϕ = 0,6 ÷0,8 , ta chọn ϕ = 0,72

2.2.1.2 Vận tốc tối thiểu của dòng khí :

Vận chuyển vật liệu bằng dòng khí nén cần vận tốc khí tương đối cao nhưng đồng thời cũng tạo nên độï giảm áp suất lớn do ma sát giữa các hạt và làm mòn nghiêm

trọng đường ống Để giảm thiểu những hiệu ứng xấu này , vận tốc khí nên giữ ở mức thấp có thể được Điều này bị chi phối bởi các điều kiện tại đó vật liệu rắn lắng trên đường ống Ta xét vận tốc tối thiểu của dòng khí khi ống nằm ngang , thẳng đứng , nằm xiên

- Ống nằm ngang :

Trên hình vẽ 2.3 minh họa hiện tượng lắng của hạt trên đường ống nằm ngang Đường Gr = 0 biểu diễn tổn thất áp suất do ma sát khi dòng khí chuyển động không có vật liệu qua ống nằm ngang Các đường Gs1 , Gs2 biểu diễn tổn thất áp suất do ma sát của hỗn hợp khí - rắn khi suất lượng vật liệu rắn là Gr1 và Gr2 Với vận tốc đủ lớn các hạt chuyển động theo dòng khí ở trạng thái lơ lửng , ví dụ ở điểm C Ứng với suất lượng pha rắn không đổi Gs1 , giảm vận tốc khí từ C tới D làm cho hạt rắn chuyển động chậm dần , độ rỗng của hỗn hợp giảm dần và áp suất tổn thấp cũng giảm theo Tại điểm D các hạt bắt đầu lắng xuống ống Vận tốc tới hạn của dòng khí ứng với điểm D gọi là vận tốc lắng vl , là hàm số theo suất lượng của vật liệu Tại điểm D tổn thất áp suất tăng vọt lên điểm E và sau đó tăng dần khi vận tốc khí giảm dần

vận tốc lắng lgv

lg( P/L)

F

E

D Gr1 Gr2

Gr3

Gr = 0 C

Hình 2.3 Quá trình lắng vật liệu trong ống nằm ngang Theo Zens vận tốc lắng tính bằng biểu thức :

B

l

l lm m

v v v

r

k

r vG

G

ρ

ρ [tài liệu 4 ] (2.14)

trong đó vl là vận tốc lắng của hạt trên đường ống nằm ngang (m/s)

vlm là vận tốc lắng tối thiểu (m/s) ; ρr là khối lượng riêng của hạt (kg/m3)

vph : vận tốc phụt, ρk là khối lượng riêng của chất khí (kg/m 3) ;

G là vận tốc khối lượng của pha khí (kg/m2s),

Gr là vận tốc khối lượng của chất rắn (kg/m2s) ;

vận tốc phụt

Hình 2.4 Quá trình lắng của hạt trong ống đứng Theo hình vẽ 2.4 vận tốc phụt cho trường hợp vận chuyển hỗn hợp rắn bằng dòng khí thổi thẳng đứng với suất lượng pha rắn không đổi khi giảm dần vận tốc khí , giả sử tại điểm C thì tổn thất áp suất do ma sát cũng giảm theo Trong vùng từ C đến D trở lực

do ma sát chiếm ưu thế Vận tốc khí tiếp tục giảm sẽ làm tăng mật độ hạt , trở lực thủy tĩnh chiếm ưu thế làm độ giảm áp suất tăng Đến điểm E pha rắn ngừng chuyển động , hệ thống ở trạng thái nghẹt Vận tốc biểu kiến của pha khí tại điểm E được gọi là vận tốc phụt Điểm tới hạn khi hỗn hợp pha rắn ngưng chuyển động có thể biểu diễn bằng biểu thức :

Gr,ph = ρr (1 - εph)(vph – vt ) (g/cm2s) [tài liệu 4] (2.15) với vt là vận tốc cân bằng ứng với hạt lơ lửng trong dòng khí (cm/s)

Zens và Othmer đề nghị hỗn hợp hạt có kích thước đồng nhất thì vận tốc phụt có thể lấy bằng vận tốc lắng : vph = vl ; với hỗn hạt có kích thước khác nhau vận tốc phụt nhỏ hơn vận tốc lắng nên lấy giá trị vl là an toàn : vph = (1/3 ÷ 1/5)vl

- Ống nghiêng :

Theo Zens và Othmer vl và vph không biến đổi đáng kể nếu ống nghiêng 100 so với mặt phẳng ngang hoặc 80 so với mặt phẳng đứng Ở vị trí trung gian ( 220 ÷450 ) so

với mặt phẳng ngang , vận tốc lắng có giá trị lớn hơn (1,5 ÷ 3) m/s so với dòng chảy nằm ngang

2.2.2 Cơ sở tính toán cho vật dạng khối (carrier):

Ở trạng thái tĩnh , chất khí tác dụng lực thẳng góc lên biên rắn Áp suất thủy tĩnh được xem như là lực pháp tuyến tác dụng lên một đơn vị diện tích Thông thường áp suất thay đổi từ điểm này sang điểm khác Áp suất thủy tĩnh tác dụng thẳng góc với diện tích chịu lực và hướng vào bên trong diện tích ấy Trị số áp suất thủy tĩnh tại một điểm bất kỳ không phụ thuộc hướng đặt của diện tích chịu lực tại điểm này Khi chất khí chuyển động qua vật thể hình khối , thì có hai loại lực tác dụng lên bề mặt vật thể , lực do áp suất và lực do ứng suất ma sát Đối với một phần tử diện tích bề mặt , lực áp suất có phương pháp tuyến và lực ma sát có phương tiếp tuyến

Thành phần tổng lực chiếu lên phương thẳng góc của chuyển động là lực nâng , khi lấy tích phân thành phần lực nâng trên toàn bộ bề mặt vật thể ta có lực nâng

Thành phần của tổng lực chiếu trên phương chuyển động của vật thể gọi là lực cản , khi lấy tích phân trên toàn bộ bề mặt vật thể ta có lực cản hình dạng

Để khối vật chuyển động được trong ống dẫn kín thì nó phải nhận được một vận tốc ban đầu ve để có thể thoát ra khỏi bệ đỡ và chuyển động trong ống dưới tác dụng của áp suất tạo ra từ máy nén hoặc quạt áp suất

Xét chuyển động của một khối vật (carrier) trong ống thẳng đứng :

Lực tác dụng gồm :trọng lượng vật G = mg (N) , lực quán tính F ,

áp suất đẩy p (N/m2) do quạt tạo ra, áp suất khí quyển po (N/m2) Xét chuyển động của khối vật trong ống nằm ngang :

Khi vật chuyển động trong ống nằm ngang , lực tác dụng của vật gồm :

lực ma sát : Fms = µmg , lực đẩy : Fd = ( p – po )

4

π d2

với µ là hệ số ma sát , g =9,81 (m/s2) là gia tốc trọng trường ,

m (kg) là khối lượng của carrier , d (m) là đường kính của carrier

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Ngày nay , kỹ thuật vận chuyển bằng khí động đã trở nên phổ biến và nó ngày càng chiếm nhiều ưu thế so với hệ thống băng tải Ở các bệnh viện , phòng thí nghiệm , vv… việc áp dụng kỹ thuật vận chuyển bằng khí động tỏ ra rất hữu hiệu Hệ thống khí nén có kết cấu đơn giản , bảo đảm môi trường sạch , có thể vận chuyển vật đi xa hoặc có thể bố trí lắp đặt hệ thống ở những mặt bằng , không gian bị cản trở như bị tường chắn, mặt bằng không bằng phẳng vv… , đó là những ưu điểm mà hệ vận chuyển bằng băng tải không thể làm được

Trong hệ thống này , khí nén là lưu chất tạo ra áp lực đẩy vật chuyển động trong hệ thống ống Chất khí ở một giới hạn nào đó cũng giống như chất lỏng là tính không nén được , tức là khối lượng riêng của chúng không hề thay đổi trong các hoạt động

cơ học và nó được nghiên cứu như chất lỏng

Chất khí chuyển động với vận tốc nhỏ được xem là không nén được Khi chất khí chuyển động với vận tốc lớn , khối lượng riêng sẽ thay đổi đáng kể theo áp suất và nhiệt độ , do vậy được xem là lưu chất nén được

Việc thiết kế một sản phẩm mới thường bắt đầu từ nhu cầu của con người về sản phẩm đó , nhờ có khách hàng mà sản phẩm mới có thể tồn tại và ngày càng được cải tiến tốt hơn

Từ việc bắt đầu xây dựng ý tưởng đến đánh giá ý tưởng , thẩm định thiết kế đều phải được xem xét kỹ lưỡng trước khi thiết kế chế tạo và thiết kế lắp ráp

Khi đưa ra ý tưởng dùng khí nén để vận chuyển vật liệu, hàng hóa vv… , người ta đều nghĩ đến tính khả thi của nó trong thực tế

Chẳng hạn với hệ thống dùng khí động vận chuyển một khối vật , chúng ta nghĩ đến nó sẽ phục vụ cho những đối tượng nào , việc lắp đặt ra sao , ưu điểm của nó so với phương pháp truyền thống vv…

Quy trình thiết kế hệ thống :

Quy trình thiết kế là một chuỗi các bước liên tiếp nhau theo thứ tự trong thiết kế , dữ liệu đầu ra của bước này sẽ là dữ liệu đầu vào của bước tiếp sau, việc thay đổi trật tự các bước sẽ gây trở ngại và không cho kết quả trong thiết kế

Quy trình thiết kế mang tính khoa học cao, nhờ đó việc thiết kế có thể phát triển dưới dạng phần mềm tính toán thiết kế chuyên dùng

Để lập một quy trình thiết kế cho một hệ thống ta phải tiến hành theo các bước

- Xác định các thông số , dữ liệu đầu vào của hệ thống

- Xác định các đại lượng đặc trưng

- Tính toán các đại lượng có liên quan

- Ứng dụng các lý thuyết để tính các thông số đầu ra của hệ thống

- Tính toán thiết bị

- Xác định công suất động cơ điện

- Tính toán bộ truyền động

Đối với quy trình thiết kế hệ thống vận chuyển sử dụng khí nén , trước hết ta phải phân loại dạng vật đi trong hệ thống là vật khối hay vật liệu rời Ứng với mỗi dạng vật chuyển động sẽ có một quy trình thiết kế cụ thể

Quy trình thiết kế hệ thống vận chuyển sử dụng khí nén gồm các giai đoạn như sau :

Vật liệu rời

Các thông số đầu vào của vật liệu rời như loại hạt, kích thước-trọng lượng hạt, lưu lượng vận chuyển

Các yêu cầu về đường kính-chiều dài ống, số đoạn

uốn cong của hệ thống ống dẫn

Xác định vận tốc dòng khí trong ống

Tính vận tốc treo của hạt vật liệu

Tính vận tốc hạt trong ống đứng và vận tốc hạt trong ống nằm ngang

Chọn vận tốc để tính toán

Xác định các dạng trở lực cục bộ trong hệ thống ống dẫn

Tính tổng các tổn thất áp suất trong hệ thống ống dẫn

Tính toán thiết kế quạt

thổi

Tính năng suất quạt thổi

Chọn động cơ điện

Tính toán thiết kế hệ thống truyền động

3.1 Quy trình thiết kế cho vật liệu rời

3.1.1 Vận tốc treo (vtr )

Vận tốc của dòng khí chuyển động từ dưới lên trên trong một ống thẳng đứng làm cho hạt vật liệu ở trong đó nằm ở trạng thái lơ lửng , tức là nó có thể quay hoặc đứng yên mà không rơi, được gọi là vận tốc treo, ký hiệu vtr Sở dĩ hạt vật liệu không rơi xuống là do lúc đó lực đẩy của dòng khí cân bằng với trọng lượng của hạt vật liệu

Xét chuyển động của hạt vật liệu trong ống khi nó nằm ở trạng thái lơ lửng

Vật liệu khối

Yêu cầu về chiều dài ống, đoạn cong có trong hệ thống

Yêu cầu về khối lượng, vận tốc vật khối (carrier)

Xác định lực tác dụng lên vật khối

Lập phương trình chuyển động của

vật

Tính vận tốc của vật trong ống dẫn

Tính áp suất đẩy của máy thổi áp suất

Tính công suất máy thổi áp suất

Tính toán thiết kế hệ thống truyền động

FdG

Hình 3.1 Sơ đồ chịu lực của hạt vật liệu Gọi Fd là lực đẩy của dòng khí ; G là trọng lượng của hạt vật liệu

Điều kiện để cho hạt vật liệu nằm ở trạng thái lơ lửng , tức là vận tốc của dòng khí đạt đến giá trị thăng bằng sẽ là : Fd = G , trong đó

π

ξρ và G = mr g =

6

3 d g r

π

6

3 d g r

ρ là khối lượng riêng của hạt vật liệu rời (kg/m3) , g là gia tốc trong trường ;

vtr là vận tốc treo (m/s), ξ là hệ số hình dạng vật liệu, ξ < 1 Đặt K =

ξ

3 2g

Vật liệu ở dạng bột : K = 10

Vật liệu cục có d ≤ 0,001 (m) : K = 15

Vật liệu cục có d ≤ 0,07 (m) : K = 17

Luá , gạo : K = 15

Khối lượng riêng của không khí ở hệ thống đẩy thìρk = 1,2÷2 (kg/m3) , còn ở hệ thống hút thì ρk = 0,8 ÷ 1,0 (kg/m3)

Ngoài ra cũng có thể chọn vận tốc treo của các loại vật liệu theo bảng số liệu sau :

Loại vật liệu Giá trị vận tốc treo vtr (m/s)

3.1.2 Vận tốc dòng khí vk

Để cho vật liệu chuyển động theo dòng khí ở trong ống thì vận tốc bé nhất của dòng khí phải lớn hơn vận tốc treo

Vận tốc dòng khí phụ thuộc vào kích thước và khối lượng riêng của vật liệu và chiều chuyển động của hệ thống và xác định nó theo công thức sau :

vk = a ρr + bL2 (m/s) [tài liệu 10] (3.3) trong đó :ρr là khối lượng riêng của vật liệu (tấn /m3)

b là hệ số phụ thuộc vào dạng vật liệu Đối với vật liệu dạng bột ,chọn b = 2.10-5 , còn đối với vật liệu ở dạng hạt hoặc dạng cục , chọn b = 5.10-5 ;