Kiểm tra thiết kế máy ép viên nén lá cây công suất 50kg h đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (24.07 MB, 104 trang )
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................i
LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ......................................................................................................................... iii
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................................ viii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................ix
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ...........................................................................1
1.1. Giới thiệu về viên nén sinh khối................................................................................1
1.2. Tổng quan các nghiên cứu về viên nén sinh khối .....................................................4
1.3. Giới thiệu về hệ thống máy ép viên nén ....................................................................7
1.3.1. Nguyên lí hoạt động của máy cắt lá cây ............................................................. 9
1.3.2. Nguyên lí hoạt động máy nén viên ...................................................................11
1.4. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................... 13
1.5. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 14
1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................14
1.6.1. Đối tượng nghiên cứu .......................................................................................14
1.6.2. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................... 14
1.7. Nội dung và phương pháp nghiên cứu ....................................................................14
1.7.1. Nội dung nghiên cứu .........................................................................................14
1.7.2. Phương pháp nghiên cứu...................................................................................14
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................15
2.1. Cơ sở cơng thức tính tốn, thiết kế máy cắt lá cây ..................................................15
2.1.1. Cơ sở tính tốn, lựa chọn động cơ dẫn động.....................................................15
2.1.2. Cơ sở tính tốn, thiết kế bộ truyền bánh răng ...................................................19
2.1.3. Cơ sở tính tốn, thiết kế trục chính ...................................................................24
2.2. Cơ sở cơng thức tính tốn, thiết kế máy nén viên ...................................................28
2.2.1. Cơ sở tính tốn, lựa chọn động cơ dẫn động.....................................................28
2.2.2. Cơ sở tính tốn, thiết kế bộ truyền bánh răng ...................................................31
2.2.3. Cơ sở tính tốn thiết kế trục chính ....................................................................36
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN, KIỂM TRA THIẾT KẾ MÁY CẮT LÁ CÂY VÀ MÁY ÉP
VIÊN NÉN .........................................................................................................................39
iii
3.1. Tính tốn, thiết kế máy cắt lá cây năng suất 50 kg/h ..............................................39
3.1.1. Tính tốn, lựa chọn động cơ dẫn động .............................................................. 39
3.1.2. Tính tốn, thiết kế bộ truyền bánh răng ............................................................ 41
3.1.3. Tính tốn, thiết kế trục chính ............................................................................45
3.2. Tính tốn, thiết kế máy tạo viên năng suất 50 kg/h .................................................50
3.2.1. Phương trình cơ bản của quá trình tạo viên ......................................................50
3.2.2. Điều kiện để xảy ra quá trình nén .....................................................................53
3.2.3. Tính tốn, lựa chọn động cơ .............................................................................55
3.2.4. Tính toán, thiết kế hệ thống bánh răng dẫn động ..............................................62
3.2.5. Tính tốn, thiết kế trục chính ............................................................................68
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ CÁC ĐÁNH GIÁ ............................................................... 75
4.1. Máy cắt lá cây ..........................................................................................................75
4.1.1. Động cơ, cụm dao cắt........................................................................................76
4.1.2. Cặp bánh răng ăn khớp .....................................................................................77
4.1.3. Trục chính làm việc........................................................................................... 78
4.2. Máy nén viên ...........................................................................................................78
4.2.1. Động cơ, cụm nén viên .....................................................................................79
4.2.2. Cặp bánh răng ăn khớp .....................................................................................80
4.2.3. Trục chính làm việc........................................................................................... 81
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................82
5.1. Kết luận ...................................................................................................................82
5.2. Kiến nghị .................................................................................................................82
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................84
PHỤ LỤC........................................................................................................................... 87
iv
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ý nghĩa
Ký hiệu
Đơn vị
Q
Năng suất máy
kg/h
nlv
Số vịng quay cần thiết cho trục cơng tác
vg/ph
Tc
Momen trên trục cắt
N.m
Fc
Lực cắt cần thiết trên mỗi lưỡi dao cắt
Dc
Đường kính đĩa dao
mm
Rc
Bán kính đĩa dao
mm
Pct
Cơng suất cần thiết của động cơ
kW
Pđc
Cơng suất của động cơ
kW
nsb
Số vịng quay sơ bộ động cơ
vg/ph
n1
Số vòng quay trục I
vg/ph
n2
Số vòng quay trục II
vg/ph
uc
Tỷ số truyền cho bộ truyền bánh răng
Tđc
Momen trên trục động cơ
N.mm
TI
Momen trên trục I
N.mm
Tct
Momen trên trục công tác
N.mm
NHO
Số chu kì làm việc cơ sở
chu kỳ
NHE
Số chu kỳ làm việc tương đương
chu kỳ
N
-
σOH lim
Giới hạn mỏi tiếp xúc của bánh răng
MPa
σOF lim
Giới hạn uốn của bánh răng
MPa
[σH]
Ứng suất tiếp xúc cho phép
MPa
[σF]
Ứng suất uốn cho phép
MPa
aw
Khoảng cách trục trong bộ truyền bánh răng
mm
m
Môđun bánh răng trụ răng thẳng
mm
Z1
Số răng bánh dẫn
-
Z2
Số răng bánh bị dẫn
-
d
Đường kính vịng chia bánh răng
mm
da
Đường kính vịng đỉnh bánh răng
mm
bw
Chiều rộng vành răng
mm
v
Ψba
Hệ số chiều rộng vành vành răng
-
x
Hệ số dịch chỉnh
-
v
Vận tốc vòng bánh răng
m/s
σH
Ứng suất tiếp xúc
MPa
YF
Hệ số dạng răng
-
σF
Ứng suất uốn
Ft
Lực vòng tác dụng lên bánh răng
N
Fr
Lực hướng tâm tác dụng lên bánh răng
N
Fa
Lực dọc trục bánh răng
N
Fc
Lực tác dụng lên cụm dao cắt
N
FD
Lực tác dụng lên khuôn nén
N
σ
Ứng suất uốn
MPa
τ
Ứng suất xoắn
MPa
M
Momen uốn tại tiết diện nguy hiểm
N.mm
Mtd
Momen tại tiết diện nguy hiểm
N.mm
d
Đường kính trục
MPa
mm
[Sσ]
Hệ số an tồn cho phép
-
[σql]
Ứng suất cho phép khi quá tải
-
Sσ
Hệ số an toàn
-
σtd
Ứng suất khi quá tải
F
Lực ma sát giữa vật liệu với bề mặt lô ép
N
T
Lực ma sát giữa vật liệu với bề mặt khuôn
N
qx
Ứng suất cạnh
-
Lk
Chiều dày khuôn
mm
So
Tiếp diện lỗ khuôn
mm
C
Chu vi lỗ khuôn
mm
pd
Áp suất tác động lên đáy khuôn
N/m2
m
Số lỗ trên khn
Lk
Chiều dài khn nén
mm
d
Đường kính lỗ khn
m
MPa
-
vi
k’
Hệ số cản chuyển động
ρ
Khối lượng riêng của viên nén
Φk
Đường kính khn nén
Z
Số lơ nén
v
Vận tốc ngun liệu nén qua lỗ khn
m/s
Dln
Đường kính lơ nén
mm
ϕlt
Đường kính lỗ trục lắp khn
mm
mn
Bề rộng vành ngoài
mm
mt
Bề rộng vành trong
mm
Be
Bề rộng phần làm việc của khuôn
mm
N
Lực nén từ lô nén
mv
Độ nhớt của nguyên liệu
kg/m3
mm
-
N
N.s/m2
Hiệu suất dẫn động
τ’
Áp suất nén cần
A
Tiết diện bề mặt khuôn nén
m2
Re
Chiều dài cơn ngồi
mm
de
Đường kính chia ngồi bánh răng
mm
dm
Đường kính trung bình bánh răng
mm
b
Bề rộng răng
mm
βm
Góc nghiên của răng
°
δ
Góc cơn chia của bánh răng
°
a0
Góc Profin
°
mtm
Modun trung bình
-
mnm
Modun tiêu chuẩn
-
Trang
-
tr.
%
N/m2
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Ngun liệu sản xuất viên nén sinh khối, [1]. ...............................................................2
Hình 1.2. Quy trình cơng nghệ sản xuất viên nén. ..........................................................................8
Hình 1.3. Viên nén sinh khối, [18]. .....................................................................................................9
Hình 1.4. Cấu tạo máy cắt lá cây. ........................................................................................................9
Hình 1.5. Các cụm dao làm việc của máy cắt lá cây. ...................................................................10
Hình 1.6. Hình ảnh thực tế của một máy cắt nguyên liệu nhựa, [16]. .....................................11
Hình 1.7. Cấu tạo máy nén viên. ........................................................................................................11
Hình 1.8. Cụm tạo viên nén. ...............................................................................................................12
Hình 1.9. Hình ảnh thực tế của một máy nén viên, [19]. ............................................................13
Hình 2.1. Lưu đồ tính tốn, lựa chọn động cơ dẫn động. ............................................................16
Hình 2.2. Lưu đồ tính tốn bộ truyền bánh răng. ..........................................................................20
Hình 2.3. Lưu đồ tính tốn, thiết kế trục chính. .............................................................................25
Hình 2.4. Lưu đồ tính tốn, lựa chọn động cơ dẫn động. ............................................................29
Hình 2.5. Lưu đồ tính tốn bộ truyền bánh răng. ..........................................................................32
Hình 2.6. Lưu đồ tính tốn, thiết kế trục chính. .............................................................................37
Hình 3.1. Biểu đồ Momen trên trục cắt............................................................................................47
Hình 3.2. Sơ đồ biển diễn quá trình nén và phân tích lực, [16]. ................................................53
Hình 3.3. Hình ảnh mơ phỏng khn nén được thiết kế. ............................................................58
Hình 3.4. Biểu đồ Momen trên trục chính.......................................................................................71
Hình 4.1. Bản vẽ mơ phỏng máy cắt lá cây trên thiết kế lý thuyết. ..........................................75
Hình 4.2. Bản vẽ mô phỏng máy nén viên trên thiết kế lý thuyết. ...........................................78
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. So sánh nhiệt trị giữa các viên nhiên liệu đang có trên thị trường [2, 3]. ...........3
Bảng 3.1. Bảng tổng hợp các thơng số chính của động cơ. ........................................................41
Bảng 3.2. Bảng thông số của cặp bánh răng trụ thẳng. ................................................................45
Bảng 3.3. Bảng tổng hợp các thơng số chính của động cơ. ........................................................62
Bảng 3.4. Bảng thơng số của cặp bánh răng dẫn động. ...............................................................68
Bảng 4.1. Bảng thông số thiết kế máy cắt lá cây. ..........................................................................76
Bảng 4.2. So sánh kết quả thiết kế máy băm nghiền lá cây với [17]. ......................................76
Bảng 4.3. Bảng thông số của cặp bánh răng dẫn động máy băm nghiền lá cây, [17]. ........77
Bảng 4.4. Bảng thông số thiết kế máy nén viên. ...........................................................................79
Bảng 4.5. So sánh kết quả thiết kế máy nén viên với [17]. ........................................................79
Bảng 4.6. Bảng thông số của cặp bánh răng dẫn động máy ép viên, [17]. .............................80
ix
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Giới thiệu về viên nén sinh khối
Năng lượng sinh khối là một thuật ngữ rất rộng dùng để mô tả các vật chất có nguồn
gốc sinh học, có thể tích trữ và giải phóng năng lượng thơng qua các q trình hóa, lí
khác nhau và được xem như một nguồn năng lượng tái tạo. Hiểu đơn giản, ta có thể nói
năng lượng sinh khối là các hợp chất hữu cơ, có thể sinh ra nhiệt năng (trừ nhiên liệu hóa
thạch) bao gồm: rơm, bã cây, lá khô, mùn cưa, giấy vụn,…
Hiện nay trên thị trường, năng lượng sinh khối đã được sản xuất đa dạng ở cả ba
trạng thái rắn, lỏng, khí như: củi, viên nén, Ethanol sinh học, dầu Diesel sinh học, các
loại khí hóa,… Trong đó, viên nén sinh khối là một trong các sản phẩn năng lượng được
sử dụng phổ biến nhất do tính linh hoạt khi vận chuyển, mật độ năng lượng cao và đặc
tính dễ sản xuất, bảo quản từ nhiều nguồn sinh khối khác nhau.
Nguồn nguyên liệu để sản xuất viên nén sinh khối có thể nói rất đa dạng (Hình 1.1)
và được phân loại thành các nhóm chính như:
• Phế thải nơng nghiệp: thân cây, rơm rạ, trấu, vỏ cà phê, bã mía, các loại
cỏ,…
• Phế thải lâm nghiệp: gỗ, tre vụn, mùn cưa, cành, vỏ, lá cây,…
• Chất thải rắn: giấy vụn, bìa cứng, nhựa phế thải,…
1
Hình 1.1. Nguyên liệu sản xuất viên nén sinh khối, [1].
Ngày nay, viên nén sinh khối được dùng để thay thế cho các loại nhiên liệu đốt
truyền thống như than, dầu,… trong các lĩnh vực bao gồm cả dân dụng và cơng nghiệp:
• Dân dụng: sưởi ấm cho con người, cung cấp nhiệt nấu ăn,…
• Cơng nghiệp: nhiên liệu cho lị hơi, sản suất điện, khí hóa sinh khối,…
Theo Dự thảo tiêu chuẩn viên nén gỗ (2021) của Viện Khoa Học Lâm Nghiệp Việt
Nam đã dựa trên tiêu chuẩn Châu âu EN 14961-1, viên nén nhiên liệu đạt chuẩn sẽ có
hàm lượng độ ẩm thấp hơn 10%, khối lượng riêng có tính đồng đều cao và lớn hơn 600
kg/m3. Viên nén nhiên liệu phải có độ cứng tốt, hàm lượng tro và bụi thấp. Đường kính
phổ biến của viên nén khoảng 6 mm với chiều dài tương ứng là 3,15 – 40 mm. Nhiệt trị
của một số loại viên nén được thể hiện ở Bảng 1.1.
2
Bảng 1.1. So sánh nhiệt trị giữa các viên nhiên liệu đang có trên thị trường [2, 3].
Loại viên nén
Nhiệt trị
(kCal/kg)
(kJ/kg)
Trấu
4108
17195
Cỏ dại
3873
16212
Rơm rạ
4215
17643
Thân cây ngơ
4241
17752
Lúa mì
4429
18539
Vỏ lạc
5119
21427
Ưu điểm của viên nén nhiên liệu:
• Khả năng tái tạo: khơng bị ảnh hưởng nhiều bởi trữ lượng, nguồn sinh khối
đa dạng như: thực vật, rác thải… đã có sẵn với số lượng lớn và có thể tái tạo
trong thời gian ngắn.
• Giảm ô nhiễm môi trường: việc sử dụng nguồn nhiên liệu sinh khối thay thế
cho nhiên liệu hóa thạch làm giảm thiểu các khí thải độc hại cho mơi trường
như: CO2, NOx, CH4, SOx, CO,... do nguồn nhiên liệu hóa thạch gây ra.
• Hiệu quả năng lượng cao: viên nén nhiên liệu được đánh giá có khả năng giải
phóng năng lượng tương đối cao. Với 1 kg viên nén từ các nguồn nguyên
liệu gần gũi như các loại thực vật, ta thu được lượng nhiệt trị khoảng 4000 –
5000 kcal.
• Chi phí nhiên liệu sản xuất hợp lí: nguồn nguyên liệu đầu vào phong phú và
dễ khai thác trong tự nhiên, đời sống,… dẫn đến lượng chi phí nguồn nguyên
liệu cung cấp rẻ, phù hợp với điều kiện của nhiều đơn vị sản xuất.
• Vận chuyển dễ dàng: do kích thước và hình dạng của viên nén thường đồng
nhất, nhỏ gọn. Đồng thời quy trình bảo quản, đóng gói thành phẩm đơn giản,
gọn gàng, sạch sẽ nên có thể vận chuyển sản phẩm dễ dàng và rộng rãi trên
quy mô lớn.
3
Nhược điểm của viên nén sinh khối:
• Tính thời vụ của nguồn nguyên liệu: sự thay đổi theo thời vụ của nguồn sinh
khối cũng có ảnh hưởng đến số lượng nguồn ngun liệu đầu vào.
• Chi phí đầu tư: việc sản xuất có thể trải qua nhiều quy trình cơng nghệ khác
nhau, địi hỏi khơng gian sản xuất, lưu trữ lớn và trang bị nhiều máy móc,
thiết bị.
1.2. Tổng quan các nghiên cứu về viên nén sinh khối
Dựa trên Thống kê Renewables Global Status Report 2017 của REN21, Pradhan và
cộng sự [4] báo cáo năng lượng tái tạo đã đóng góp khoảng 19,3% tổng nguồn năng
lượng tiêu thụ tồn cầu. Năng lượng mặt trời, gió, thủy năng, sinh khối và địa nhiệt là
những loại năng lượng chính của nguồn năng lượng tái tạo. Và trong đó, năng lượng sinh
khối chiếm tỷ trọng cao nhất với việc cung cấp khoảng 51 EJ (9%) cho nguồn năng lượng
sơ cấp trên toàn thế giới.
Harun và cộng sự [5] đã đánh giá rằng sinh khối là nguồn nguyên liệu phong phú có
thể thay thế cho các nguồn năng lượng thông thường như: dầu mỏ, than đá, khí đốt tự
nhiên,…Tuy nhiên, nhiên liệu sinh khối lại có hạn chế: nếu khơng có thêm q trình xử lí
ngun liệu mà sử dụng ngay, sản phẩm có thể mang khối lượng riêng thấp và hàm lượng
độ ẩm cao do kích thước, hình dạng của các nguồn ngun liệu khơng đồng đều. Vì vậy,
để sử dụng năng lượng sinh khối hiệu quả, nguồn nguyên liệu sinh khối có thể được xử lí
thành các dạng khác nhau (rắn, lỏng, khí). Và trong số đó, sinh khối được nén ở dạng
viên đang được sử dụng rất phổ biến do có khối lượng riêng lớn, từ đó dẫn đến độ ẩm
thấp ở mức đạt chuẩn.
Sirous và cộng sự [6] đã đánh giá tiềm năng việc sử dụng viên nén sinh khối hỗn
hợp ở Bồ Đào Nha. Bằng phương pháp ép sinh khối hỗn hợp (MBP), viên nén được tạo
ra từ nguồn chất thải vườn và phế phẩm nông nghiệp hằng năm đã trở thành nguồn nhiên
liệu hữu ích trong đời sống. Viên nén sinh khối hỗn hợp đã góp phần làm trung hịa, giảm
tải lượng khí thải CO2 và nâng cao điều kiện kinh tế, xã hội ở nông thôn tại Bồ Đào Nha.
Gu và cộng sự [7] đã phát triển và ứng dụng hệ thống máy tạo Hydro và Oxy (HHO)
vào trong lò hơi sử dụng nhiên liệu sinh khối. Theo nhóm nghiên cứu, lị hơi dùng
4
ngun liệu sinh khối có lượng khí thải ơ nhiễm ít hơn so với lị hơi dùng nhiên liệu hóa
thạch truyền thống. Hơn nữa, nhờ việc kết hợp sử dụng hệ thống HHO mà nồng độ trung
bình của các khí gây ơ nhiễm mơi trường do lị hơi sinh ra đã giảm đáng kể, cụ thể: CO
giảm 93%, NO giảm 22,5% và khói giảm 80%.
Kougioumtzis và cộng sự [8] đã tiến hành so sánh giữa hai loại viên nén nhiên liệu
là viên nén từ cành cây ô liu và viên nén từ vỏ hạt hướng dương để làm nhiên liệu đốt
trong lị hơi cơng nghiệp. Kết quả cho thấy lị hơi đốt viên nén từ vỏ hướng dương có
hiệu suất lò cao hơn 3,5% so với lò hơi đốt viên nén từ cành cây ơ liêu. Mặc khác, lượng
khí thải CO và NOx cũng như lượng xỉ thải lại thấp hơn khi vận hành lò hơi đốt bằng viên
nén từ cành cây ô liu.
Pua và cộng sự [9] đã nghiên cứu sản xuất thành công viên nén sinh khối được làm
từ bã lá trà khơ Malaysia qua q trình phơi khô tự nhiên và nghiền nén nguyên liệu. Kết
quả thu được viên nén có nhiệt trị 17,393 MJ/kg, độ ẩm tốt 9,581%, khối lượng riêng
0,282 kg/cm3 và độ bền cơ học 99,93%. Sản phẩm được đánh giá là nguồn nhiên liệu rắn
thay thế tiềm năng trong công nghiệp ở Malaysia.
Hudakorn và Sritrakul [10] đã tiến hành nghiên cứu khí sinh học và viên nén sinh
khối từ bèo tây. Nhóm nghiên cứu sử dụng phần lá và phần cuống lá của bèo tây để cắt,
xay nhỏ, sau đó ép thành nước cốt với mục đích chiết xuất khí sinh học (SWHH). Phần
xơ còn lại (WHF) với tỷ lệ nước phù hợp nhất (10:90) được tận dụng để tạo thành viên
nén nhiên liệu. Sản phẩm mang nhiệt trị 14,69 MJ/kg, độ ẩm 9,64%, khối lượng riêng
720,24 kg/m3 và độ bền cơ học 96,36%. Hầu hết các thông số kỹ thuật của viên nén đạt
yêu cầu theo Tiêu chuẩn Hoa Kỳ (Tiêu chuẩn PFI), ngoại trừ hàm lượng tro và Clorua.
Tuy nhiên, các nhược điểm trên sẽ được nhóm khai thác và khắc phục trong tương lai.
Theo Badrán và cộng sự [11] đã thực hiện phân tích hóa lý và năng lượng của viên
nén trấu. Nhóm nghiên cứu nhận thấy viên nén trấu có hàm lượng tro cao 12,81 – 17,51%
và nhiệt trị 12,93 – 16,95 MJ/kg. Vì thế nhóm nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm trộn
trấu với rơm lúa mì và thu được viên nén nhiên liệu có hàm lượng tro thấp hơn 11,43 –
13,06%, nhiệt trị đạt được 18 – 19,15 MJ/kg. Sau nhiều lần thực nghiệm, khi điều chỉnh
tỉ lệ rơm lúa mì là 1% thì viên nén nhiên liệu đạt nhiệt trị cao nhất là 19,15 MJ/kg.
5
Wattana và cộng sự [12] đã phân tích các đặc tính các loại viên nén nhiên liệu từ
cây cọ dầu và cây cao su. Viên nén nhiên liệu được ép dưới nhiệt độ 130°C và áp suất
350 psi, viên nén có kích thước 10 mm, nặng 5g. Các phân tích của nhóm nghiên cứu chỉ
ra rằng viên nén từ lá cây cọ, viên nén từ tàu cây cọ, viên nén từ lá cây cao su và viên nén
từ cành cây cao su có nhiệt trị lần lượt là: 16,05; 17,68; 18,71; 19,64 MJ/kg. Người ta
cũng tiến hành hòa trộn hai trong bốn loại nguyên liệu với tỉ lệ 1:1 để phân tích. Kết quả
cho thấy khi trộn lá cây cọ và lá cây cao su thì viên nén có nhiệt độ cháy cao nhất và độ
tro thấp nhất.
Hosseinizand và cộng sự [13] đã nghiên cứu tạo viên nén nhiên liệu từ mùn cưa và
vi tảo Chlorella Vulgaris. Viên nén được tạo ra ở nhiệt độ 75°C, áp suất 2500 N với
đường kính 6 mm và chiều dài 90 mm. Sau nhiều lần thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đã
tiến hành điều chỉnh hàm lượng vi tảo trong viên nén nhiên liệu và phân tích. Kết quả cho
thấy khi tỉ lệ vi tảo là 100% thì viên nén có nhiệt trị lên đến 27,8 MJ/kg. Khi điều chỉnh tỉ
lệ vi tảo thành 75%, 50%, 25%, 0%; viên nhiên liệu có nhiệt trị lần lượt là 25,32 MJ/kg;
24,75 MJ/kg; 21,44 MJ/kg và 19,42 MJ/kg. Nhóm nghiên cứu cũng nhận thấy khi tỉ lệ vi
tảo càng cao thì nhiệt trị của viên nén nhiên liệu càng lớn đồng thời lượng tro phát thải
tăng. Vì thế, nhóm nghiên cứu vẫn đang tiến hành những thực nghiệm khác để tìm ra tỉ lệ
vi tảo hợp lí.
Tippayawong và cộng sự [14] cũng đã tiến hành chế tạo viên nén nhiên liệu từ lá
cây và tảo. Viên nén nhiên liệu được thực nghiệm với nhiều điều kiện khác nhau ở nhiệt
độ 30°C và 80°C; áp suất 100 MPa, 150 MPa và 200 MPa; đồng thời, tỉ lệ hòa trộn của
tảo với lá cây là 0%, 10% và 20%. Kết quả cho ra viên nén nhiên liệu hiệu quả nhất có
đường kính 7mm, chiều dài 38mm, độ ẩm 7,5 – 10% và nhiệt trị khoảng 15,1 MJ/kg.
Trong quá trình đánh giá tiềm năng nguồn nhiên liệu sinh khối rừng tại Brazil,
Souza và cộng sự [15] đã tạo ra được viên nén từ gỗ cây bạch đàn cùng với các phế phẩm
nơng nghiệp trong q trình sản xuất cà phê. Sản phẩm mang tên ECPCH gồm các thành
phần: 40% gỗ bạch đàn (Eucalyptus Wood), 30% vỏ trấu hạt cà phê (Parchment) và 30%
vỏ ngoài quả cà phê (Coffee Husk). Viên nén có đường kính 6,17 mm cùng chiều dài
13,79 mm. Qua giai đoạn kiểm tra phân tích, xác định được nhiệt trị cao của sản phẩm là
16,84 MJ/kg, độ ẩm 8,35%, khối lượng riêng 691,43 kg/m3 và độ bền cơ học 98,17%.
6
Viên nén được cho đáp ứng tốt các thông số kĩ thuật của tiêu chuẩn thương mại hóa châu
Âu EN 14961-6 và ISO 17225-6.
PGS. TS Bùi Trung Thành [16] đã nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ khí hóa để xử lý
rác thải rắn trong sản xuất công nghiệp - chế biến tạo năng lượng phục vụ cho quá trình
sấy và bảo quản nơng sản, thực phẩm. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành tính tốn, thiết kế
hệ thống sản xuất viên nén bao gồm một máy băm, nghiền túi nilon tạo bột nhựa công
suất 5-10 kg/h và một máy ép nguyên liệu từ hỗn hợp bột nhựa với mùn cưa công suất
15-25 kg/h. Sau q trình thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đã sản xuất được các viên nén
với tỉ lệ hòa trộn ngun liệu khác nhau có đường kính 6 mm, độ ẩm 12,9%, nhiệt trị
5388,4 – 6604 kcal/kg. Tuy nhiên, năng suất tạo viên thực tế của hệ thống chỉ đạt khoảng
17 kg/h.
Đặng Văn Quốc Bảo và cộng sự [17] đã thực hiện nghiên cứu tính tốn và thiết kế
hệ thống máy ép viên nén từ lá cây công suất 400kg/ngày. Trong đồ án này, nhóm nghiên
cứu đã tính tốn, thiết kế một máy băm nghiền nhựa công suất 10 kg/h, một máy băm,
nghiền lá cây công suất 50 kg/h và một máy tạo viên nén công suất 50 kg/h. Tuy nhiên,
các kết quả tính tốn, thiết kế vẫn cịn một số hạn chế và vẫn chưa được đưa ra thi cơng
thực tế nên cần phải tính tốn, kiểm tra lại.
1.3. Giới thiệu về hệ thống máy ép viên nén
Thông thường, trong một quy trình cơng nghệ sản xuất viên nén bao gồm các cơng
đoạn (Hình 1.2):
• Sấy: sau khi đã được chuẩn bị và định lượng, nguồn nguyên liệu thô sẽ được
sấy trong các thiết bị sấy để giảm ẩm đến độ ẩm thích hợp (độ ẩm < 15%),
tùy vào từng loại nguyên liệu.
• Nghiền: nguồn nguyên liệu sau khi sấy sẽ được cắt, băm, nghiền trong các
thiết bị cơ khí để giảm kích thước nguyên liệu (đường kính hạt nguyên liệu:
dtd < 1 mm) nhằm đồng nhất kích thước nguyên liệu và làm cho quá trình nén
diễn ra dễ dàng hơn.
7
• Xử lí vật lý: tại q trình này nguồn nguyên liệu được bổ sung các chất phụ
gia như: dầu nhớt thải, keo, hồ, rỉ mật, các chất kết dính hữu cơ,… giúp viên
nén được kết dính, từ đó làm tăng độ bền cho viên nén.
• Nén viên: đây là cơng đoạn quan trọng nhất trong q trình sản xuất viên
nén. Nguyên liệu đầu vào được đưa vào thiết bị nén để định hình viên nén
theo kích thước quy định (thơng thường đường kính từ 6 – 8 mm). Hiện nay,
trên thị trường có 2 dịng máy nén viên chính: máy nén viên dạng trục đứng
và máy nén viên dạng trục ngang. Trong đó, dịng máy nén viên dạng trục
đứng được sử dụng phổ biến hơn do có tính linh hoạt cao, kết cấu đơn giản
phù hợp với các mô hình sản xuất có cơng suất nhỏ và khơng kén chọn
nguyên liệu đầu vào. Còn đối với dòng máy nén viên dạng trục ngang thì có
kết cấu máy khá phức tạp, chỉ phù hợp với các máy có cơng suất lớn và quá
trình nén sinh ra nhiệt lượng cao nên khá kén chọn nguyên liệu đầu vào.
• Làm mát: sau q trình nén, viên nén có nhiệt độ cao, vì thế cần phải làm
nguội trước khi đóng gói để tăng chất lượng sản phẩm.
• Sàng: Trong q trình nén, phần vụn sản phẩm rơi ra được sàng lấy và đưa
trở lại thiết bị nén để tiếp tục quá trình nén.
Hình 1.2. Quy trình cơng nghệ sản xuất viên nén.
8
Hình 1.3. Viên nén sinh khối, [18].
Trong đồ án này, nhóm nghiên cứu tập trung tính tốn, kiểm tra các thiết bị phục vụ
cho hai quá trình quan trọng trong việc sản xuất viên nén sinh khối (Hình 1.3), đó là:
nghiền và nén viên. Đối với q trình nghiền, nhóm nghiên cứu chọn thiết bị máy cắt lá
cây để băm nghiền nguồn nguyên liệu thô là lá cây thành các hạt ngun liệu có kích
thước đồng đều nhau. Cịn đối với q trình nén viên, nhóm nghiên cứu chọn thiết bị nén
viên dạng trục đứng do có cơng suất nhỏ phù hợp với yêu cầu nghiên cứu của nhóm.
1.3.1. Nguyên lí hoạt động của máy cắt lá cây
Hình 1.4. Cấu tạo máy cắt lá cây.
9
Hình 1.4 mơ tả cấu tạo của máy cắt lá cây, trong đó:
1. Motor dẫn động; 2. Bộ truyền bánh răng giảm tốc; 3. Cụm dao cắt động; 4. Cụm
dao cắt tĩnh; 5. Sàng phân loại sản phẩm, 6. Buồng chứa nguyên liệu; 7. Máng chứa sản
phẩm.
Hình 1.5. Các cụm dao làm việc của máy cắt lá cây.
Nguyên lí hoạt động: khi được cung cấp điện năng, Motor (1) hoạt động, kéo theo
trục động cơ và bánh răng chủ động thuộc bộ truyền bánh răng giảm tốc (2) quay. Qua
đó, bánh răng bị động thuộc bộ truyền được dẫn động và làm quay cụm dao cắt động (3)
nằm trên trục chính với số vịng quay được điều chỉnh theo tỉ số truyền. Cụm dao cắt tĩnh
(4) có nhiệm vụ định vị nguyên liệu để các lưỡi dao động tiếp xúc và hỗ trợ băm nhuyễn
nguyên liệu. Khi nguyên liệu được cấp vào buồng chứa nguyên liệu (6), các lưỡi dao
trong cụm dao cắt động (3) sẽ kéo nguyên liệu về phía dao cắt tĩnh (4) và thực hiện q
trình nghiền, cắt ngun liệu (Hình 1.5). Sàng lọc (5) có tác dụng lọc sơ bộ các hạt
nguyên liệu kích thước lớn, những hạt ngun liệu có kích thước nhỏ đạt chuẩn sẽ rơi qua
các lỗ trên sàng lọc và đi xuống máng chứa sản phẩm (7). Tiếp tục cấp nguyên liệu cho
máy làm việc đến khi máng chứa sản phẩm (7) đầy thì ngưng máy và lấy sản phẩm ra.
Hình dạng thực tế của một loại máy cắt nguyên liệu được thể hiện ở Hình 1.6.
10
Hình 1.6. Hình ảnh thực tế của một máy cắt nguyên liệu nhựa, [16].
1.3.2. Nguyên lí hoạt động máy nén viên
Hình 1.7. Cấu tạo máy nén viên.
11
Hình 1.7 mơ tả cấu tạo của máy nén viên, trong đó:
1. Motor động cơ; 2. Tấm che cụm dẫn động; 3. Bộ truyền bánh răng giảm tốc; 4.
Cụm tạo viên; 5. Phễu chứa nguyên liệu; 6. Máng ra sản phẩm.
Hình 1.8. Cụm tạo viên nén.
Ngun lí hoạt động: khi được cung cấp điện năng, Motor (1) hoạt động, kéo theo
trục động cơ và bánh răng chủ động thuộc bộ truyền bánh răng giảm tốc (3) quay. Qua
đó, bánh răng bị động thuộc bộ truyền được dẫn động và làm quay trục chính có liên kết
với khn nén trong cụm tạo viên (4). Khi nguyên liệu được cấp vào phễu chứa nguyên
liệu (5), dưới sự chuyển động của khuôn nén, nguyên liệu bị hai lô nén đè, ép xuống
khuôn nén thơng qua các lỗ trên khn (Hình 1.8). Từ đó, các viên nén có kích thước
tương ứng với các lỗ trên khn được định hình và rơi xuống máng ra sản phẩm (6).
Hình dạng thực tế của một loại máy nén viên được thể hiện ở Hình 1.9.
12
Hình 1.9. Hình ảnh thực tế của một máy nén viên, [19].
1.4. Tính cấp thiết của đề tài
Sự khai thác, sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch quá mức dẫn đến các vấn đề ô
nhiễm môi trường đang diễn ra ngày càng nhanh và nghiêm trọng. Vì vậy, việc tận dụng
nguồn năng lượng tái tạo (RES) thay thế cho các nguồn nhiên liệu truyền thống đã được
toàn thế giới quan tâm và phát triển. Trong đó, nhiên liệu sinh khối (Biomass) được đánh
giá là một loại nhiên liệu tái tạo mang tính bền vững và ổn định cao tại Việt Nam do có
nguồn tài nguyên phong phú, dồi dào.
Hiện nay, trong nước đã xuất hiện nhiều phương pháp sử dụng nguồn sinh khối như
đốt trực tiếp, hóa khí, hóa lỏng,… Tuy nhiên, viên nén sinh khối vẫn đang được xem là
phương pháp sử dụng phổ biến và tối ưu. Đã có nhiều nghiên cứu khoa học về lĩnh vực
sản xuất viên nén sinh khối từ các nguồn nguyên liệu khác nhau như: các phế phẩm từ
nông nghiệp, lâm nghiệp, rác thải,… Tuy nhiên, các bài báo khoa học và nghiên cứu công
nghệ về viên nén sinh khối được làm từ lá cây vẫn còn rất khiêm tốn. Lá cây là một
nguồn nguyên liệu rất phong phú và dễ khai thác trong tự nhiên. Vì vậy việc tìm hiểu,
nghiên cứu và phát triển một hệ thống sản xuất viên nén nhiên liệu từ lá cây sẽ là một
điều rất cần thiết và hữu ích.
13
1.5. Mục tiêu nghiên cứu
Tính kiểm tra thiết kế hệ thống sản xuất viên nén bao gồm: máy cắt lá cây và máy
nén viên công suất 50 kg/h.
Đưa ra các thông số thiết kế máy cắt lá cây và máy nén viên có tính khả thi hơn.
1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.6.1. Đối tượng nghiên cứu
• Máy cắt lá cây cơng suất 50 kg/h.
• Máy nén viên cơng suất 50 kg/h.
1.6.2. Phạm vi nghiên cứu
• Đề tài nghiên cứu được thực hiện tại xưởng Nhiệt – Điện lạnh, khoa Cơ Khí
Động Lực, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
• Nghiên cứu này chỉ giới hạn ở kết quả tính tốn, thiết kế lí thuyết, chưa thực
nghiệm. Tuy nhiên, các kết quả này cũng được đánh giá với các nghiên cứu
liên quan.
1.7. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
1.7.1. Nội dung nghiên cứu
• Tổng quan các nghiên cứu liên quan
• Đưa ra cơ cở lý thuyết thiết kế máy cắt lá cây và máy nén viên.
• Chi tiết kiểm tra, tính tốn thiết kế máy cắt lá cây và máy nén viên.
1.7.2. Phương pháp nghiên cứu
• Phương pháp tổng quan.
• Phương pháp thu thập số liệu.
• Phương pháp phân tích và xử lý số liệu.
14
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nội dung chương này trình bày cơ sở lý thuyết bao gồm các quy trình, lưu đồ và
cơng thức phục vụ cho q trình tính toán, thiết kế một hệ thống nén viên nén lá cây. Giả
sử nguồn nguyên liệu có thể cung cấp được là 400 kg lá cây/ngày, quá trình nén viên diễn
ra trong vịng 8 tiếng, thì cơng suất hệ thống sẽ là 50 kg/h. Do đó nhóm nghiên cứu đã
tiến hành tính tốn, thiết kế các máy bao gồm: máy cắt lá cây có cơng suất 50 kg/h và
máy nén viên có cơng suất 50 kg/h.
Để đơn giản hóa hệ thống nhằm phù hợp với điều kiện nghiên cứu nên đồ án này
chỉ tập trung vào q trình tính tốn, thiết kế máy cắt lá cây và máy nén viên. Bên cạnh
đó, q trình xử lí vật lý sản phẩm cũng rất quan trọng. Nhóm nghiên cứu đã chọn
phương pháp dùng chất phụ gia là keo để làm chất kết dính và tăng độ bền cho viên nén.
Các công thức được đề xuất và trích dẫn ở chương này sẽ được áp dụng để tính tốn, thiết
kế các máy trong hệ thống tại chương 3.
2.1. Cơ sở cơng thức tính tốn, thiết kế máy cắt lá cây
2.1.1. Cơ sở tính tốn, lựa chọn động cơ dẫn động
Quy trình tính tốn, chọn động cơ được tham khảo theo [20], [21], (Hình 2.1):
Bước 1: từ năng suất đầu vào yêu cầu và các thơng số kỹ thuật đã chọn, ta tiến hành
tính số vòng quay làm việc. Nếu số vòng quay làm việc quá lớn, ta phải chọn lại các
thông số kỹ thuật.
Bước 2: tiến hành tính moment trên trục cắt, từ đó tính được cơng suất cần thiết.
Bước 3: dựa vào số vòng quay làm việc, ta xác định số vòng quay sơ bộ.
Bước 4: từ công suất cần thiết và số vịng quay sơ bộ, ta chọn cơng suất động cơ và
số vòng quay động cơ.
Bước 5: lựa chọn loại động cơ theo cơng suất động cơ và số vịng quay động cơ.
15
Hình 2.1. Lưu đồ tính tốn, lựa chọn động cơ dẫn động.
16
Năng suất máy là sản lượng sản phẩm được tạo ra trong một khoảng thời gian làm
việc, [20]:
Q = nlv.b.d.z.q (kg/h)
(2.1)
Trong đó:
• nlv: Số vịng quay trục cắt (trục cơng tác);
• b: Số lượng trục cắt;
• d: Số lượng đĩa dao cắt trên trục;
• q: Thể tích ngun vật liệu được cắt bởi 1 lưỡi cắt (mm3);
• z: Số lưỡi dao cắt trên mỗi đĩa dao.
Số vòng quay làm việc (cần thiết) cho trục chính (trục cơng tác) là đơn vị thể hiện
số vòng quay của trục trong một khoảng thời gian:
nlv =
Q
b.d.z.q
(vg/ph)
(2.2)
Momen cần thiết trên trục cắt là đại lượng đặc trưng cho lực tác động cần thiết để
quay trục cắt, ta có cơng thức tính momen trên trục cắt, [20]:
D
Tc = σ.Sc. c.a (N.m)
2
(2.3)
Trong đó:
• Sc: Diện tích tiếp xúc của lưỡi dao (m2);
• a: Số lưỡi dao tham gia làm việc đồng thời;
• σ: Ứng suất phá hủy của lá cây (N/m2);
• Dc: Đường kính đĩa dao (m).
Công suất cần thiết của động cơ là đại lượng quan trọng để xác định được loại động
cơ điện phù hợp với các yêu cầu về kỹ thuật của thiết bị, [20]:
Pct =
Tc .nlv
9554
(kW)
(2.4)
Số vòng quay sơ bộ động cơ được tính tốn dựa trên cơng thức, tr.21, [21]:
nsb = nlv.ut (vg/ph)
(2.5)
Trong đó:
17
• ut: Tỉ số truyền.
Chọn số công suất của động cơ Pđc, tr.22, [21]:
Pđc ≥ Pct
(2.6)
Chọn số vòng quay của động cơ nđc, tr.22, [21]:
nđc ≥ nsb
(2.7)
Công suất trên trục, tr.19, [21]:
Ptrục =
Pct
ηkn .ηol
(kW)
(2.8)
Trong đó:
• 𝜂𝑘𝑛 : Hiệu suất khớp nối;
• 𝜂𝑜𝑙 : Hiệu suất một cặp ổ lăn.
Momen trục, tr.49, [21]:
Tđc = 9,55.106 .
Pđc
nđc
(N.mm)
(2.9)
18
