NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ LÀM VIỆC CỦA MÁY TẠO ĐÁ CO2

MỤC LỤC
MỤC LỤC.............................................................................................................1
Chuyên đề 6.2015: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ
CÔNG NGHỆ LÀM VIỆC CỦA MÁY TẠO ĐÁ CO2.......................................5
1: Tổng quan về công nghệ tạo đá CO2................................................................5
1.1. Công nghệ sản suất đá khô CO2 ................................................................5
1.2. Máy tạo đá CO2..........................................................................................7
1.3. Bình chứa CO2 lỏng...................................................................................9
1.4. Thùng chứa đá CO2..................................................................................11
1.5. Các loại CO2 và công dụng.......................................................................11
1.6. Khuôn tạo đá dạng viên nén......................................................................13
2. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến năng
suất, chất lượng quá trình tạo đá CO2.................................................................13
2.1. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng đá CO2..................................................13
2.1.1. Kích thước đường kính viên đá...........................................................13
2.1.2. Độ cứng và tỉ số nén............................................................................13
2.1.3. Nhiệt độ...............................................................................................14
2.2. Một số thông số ảnh hưởng đến quá trình tạo đá CO2..............................14
2.2.1. Ảnh hưởng của áp suất CO2 lỏng.......................................................14
2.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ CO2 lỏng.....................................................16
2.2.3. Ảnh hưởng của lưu lượng khí CO2 lỏng qua bép phun......................17
2.2.4. Lực ép..................................................................................................18
2.2.5. Chiều dài hành trình ép xi lanh...........................................................19
2.2.6. Ảnh hưởng của chu kỳ ép....................................................................21
2.2.7. Ảnh hưởng của lượng thoát khí CO2..................................................23
KẾT LUẬN.........................................................................................................24
LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................26

1

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1: Minh họa nguyên lý tạo đá CO2..............................................................5
Hình 2: Giản đồ pha của CO2...............................................................................6
Hình 3: Đồng hồ đo áp suất của bình chứa CO2 lỏng........................................10
Hình 4: Các van xả, van an toàn, van giảm áp....................................................10
Hình 5: Van điều tiết CO2 lỏng...........................................................................11
Hình 6: Độ cứng viên đá CO2.............................................................................14
Hình 7: Biểu đồ chỉ rõ vùng áp suất tạo đá CO2.................................................14
Hình 8 : Biểu đồ liên hệ giữa áp suất bình chứa và công suất tạo đá..................15
Hình 9: Biểu đồ liên hệ giữa áp suất và nhiệt độ của quá trình chuyển CO2 lỏng
thành dạng rắn (tuyết)..........................................................................................17
Hình 10: Biểu đồ liên hệ giữa công suất tạo đá và lưu lượng CO2 lỏng qua bép
phun.....................................................................................................................18
Hình 11: Biểu đồ liên hệ giữa lực ép và độ cứng đá viên (viên 3mm)................19
Hình 12: Sơ đồ hành trình ép xilanh....................................................................19
Hình 13: Biểu đồ quan hệ giữa chiều dài hành trình và lượng đá ......................21
Hình 2414: Biểu đồ liên hệ giữa Tphun và công suất tạo đá..............................22
Hình 15: Giản đồ pha trạng thái CO2..................................................................23
Hình 16: Biểu đồ trạng thái CO2 (có thoát khí)..................................................24

2


Bảng 1: Đường kính và kích thước viên đá.........................................................13
Bảng 2: Bảng hệ số nén và độ cứng của viên đá.................................................13

3


MỞ ĐẦU

Chuyên đề này thuộc Nội dung 9: Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá công
nghệ. Trước khi thực hiện nội dung này các thiết bị đã được vận hành, chạy thử,
đo kiểm đánh giá, hiệu chỉnh nhằm đạt chất lượng tốt nhất phục vụ cho công tác
thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng để hiệu chỉnh lần cuối máy
tạo đá và đảm bảo quá trình làm việc của máy tốt nhất.
Quá trình thực nghiệm cần: CO2 lỏng; cân khối lượng để cân đá; Quan sát
đồng hồ mức bình chứa CO2 lỏng để đánh giá định mức; Đo thời gian chạy máy
hoặc đếm số hành trình làm việc.
9.1
9.2
9.3

Nội dung 9: Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá công nghệ
Nghiên cứu thực nghiệm xác định chế độ công nghệ làm việc của máy tạo đá CO2
Nghiên cứu thực nghiệm xác định chế độ công nghệ làm việc của máy phun đá
CO2
Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá độ sạch của công nghệ làm sạch sử dụng đá
CO2 với các chất bẩn khác nhau.

Nội dung Chuyên đề gồm: Nghiên cứu thực nghiệm xác định chế độ công
nghệ làm việc của máy tạo đá (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng phun, thời gia phun,
thời gian 1 chu kì làm việc...và ảnh hưởng của chúng tới năng suất, chất lượng
quá trình tạo đá CO2
Kết quả nghiên cứu sẽ được sử dụng để lập các bảng chỉ dẫn vận hành, sử
dụng máy, hoàn thiện tài liệu hướng dẫn vận hành máy.

4


Chuyên đề 6.2015: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ

CÔNG NGHỆ LÀM VIỆC CỦA MÁY TẠO ĐÁ CO2
1: Tổng quan về công nghệ tạo đá CO2
1.1. Công nghệ sản suất đá khô CO2
Đá khô được làm từ carbon dioxide sạch đó là một sản phẩm phụ (tái chế)
của các quá trình công nghiệp khác như sản xuất ethanol. Các khí carbon
dioxide (CO2) ban đầu được làm lạnh để tạo thành CO 2 lỏng , sau đó cho khí
CO2 lỏng đi qua một buồng khí qua các bồn nén áp lực. Điều này gây ra một số
khí đóng băng (như tuyết) CO2 rắn và dạng khí (hơi) của CO2. Các "tuyết" sau
đó được thủy lực ép thành khối đá khô và bột viên.
Làm đá khô đòi hỏi một nguồn khí
CO2 từ các quá trình công nghiệp như sản
xuất trong nhà máy ethanol. Carbon
dioxide là khí. Khi CO2 lỏng tiếp xúc với
nhiệt độ không khí bình thường, một số
phần tử của nó ngay lập tức quay trở lại
với một chất khí không màu [CO2], và
một số của nó đóng băng thành "tuyết" có
thể được ép thành dạng viên đá khô hoặc
khối bằng cách sử dụng áp lực thủy lực
và một băng khô pelletizer hoặc khối Hình 1: Minh họa nguyên lý tạo đá
băng khô.
CO2
Khi cho khí CO2 lỏng bị nén nhanh
trong lòng khuôn, nếu thể tích khí giảm khoảng 2 lần, nhiệt độ sẽ giảm từ -25 oC
(nhiệt độ của CO2 lỏng) xuống -80oC và sẽ tạo thành tuyết (từ điều kiện P 1 V1 =
P2V2) (định luật Charles). Nếu ở nhiệt độ T = -79,5 oC; áp suất P =1atm = 1,0325
bar khí CO2 lỏng sẽ chuyển thành tuyết. Trong thực tế để tạo thành tuyết áp suất
phải lớn hơn 5,1 atm. Sau đó "tuyết" này được phun vào lòng khuôn và được nén
thành các viên đá hay khối đá nhờ hệ thống khuôn ép của 1 máy làm đá.

5


Hình 2: Giản đồ pha của CO2

Hình 3: Sơ đồ nguyên lí máy tạo đá CO2

6


1.2. Máy tạo đá CO2

Hình 4: Sơ đồ tổng thể của máy tạo đá CO2

Thông số kỹ thuật của máy:
+ Công suất lớn hơn: 120 kg/giờ (đá viên 3mm);
+ Nguồn điện: 380V, 3pha, 16A, tần số: 50 Hz;
+ Công suất động cơ bơm dầu: 5,5 kW, thùng dầu 60 lít.
+ Hệ thông thủy lực, động cơ công suất 5,5 kW.
+ Lực ép max:15-20 tấn.
+ Hệ thống điều khiển PLC và màn hình hiển thị.
+ Có 2 chế độ làm việc: Tự động và bằng tay.
+ Trọng lượng: 1000 kg;
+ Kích thước khuôn khổ: Theo thiết kế.
+ Bộ khuôn: 3, 6, 10,15 mm.

7


Hình 5: Hệ thống thiết bị sản xuất đá CO2 của hãng BUZE- CHLB Đức

Buồng phun khí (hình 6,7) là khoảng không giữa piston và xi lanh với
các kết cấu đặc biệt gồm lưới thoát (ngăn tuyết bịt kín lỗ phun khí và
đường khí hồi) và việc bố trí của 3 van điện từ.

Hình 6: Hiện tượng tạo lớp ngăn khi bép 1 phun

Ban đầu khi máy mới bắt đầu làm việc, piston ở điểm giới hạn dưới, van
điện từ 1 thường đóng để tạo thành màng ngăn hạn chế khí thoát ra theo các lỗ
của khuôn và tạo thành buồng phun khí, 2 van điện từ 2,3 mở, khi đó CO2 được
phun vào buồng và tạo thành tuyết, khí dư chạy theo đường hồi thoát ra
không khí hoặc bộ thu hồi. Piston ép tuyết thành đá qua các lỗ khuôn (3-5
phút).
Khi đá bịt kín lỗ khuôn (làm việc ổn định), piston lùi về ở điểm giới hạn
dưới, van điện từ 1 ngắt (không làm việc trong suốt quá trình ép), van điện từ
2,3 mở, khí phun vào buồng phun tạo thành tuyết, piston ép tuyết thành đá. Quá
trình này lặp đi lặp lại trong suốt quá trình làm việc ổn định của máy.
Sau khi mở hệ thống điện cho thiết bị khởi động, mở các van khí của hệ
thống máy nén khí. Khi này bép phun 1 hoạt động cho dòng CO2 từ máy nén khí
vào buồng của khuôn (trong buồng nén khí với áp suất lớn hơn 5,1 at thì CO 2 ở
dạng lỏng) khi này thể tích thay đổi đột ngột dẫn đến hiện tượng thăng hoa của

8


CO2 khi này CO2 chuyển sang thể rắn dưới dạng tuyết và nhiệt độ của CO 2 khi
này rất thấp khoảng -700C. Bép phun 1 hoạt động trong khoảng 30 giây khi này
trong khuôn gần như hình thành một tấm ngăn bằng tuyết CO2.
Sau thời điểm này bép phun 2 và 3 bắt đầu hoạt động.

Hình 7: Hiện tượng buồng chứa tuyết CO2 ngăn khi bép 2,3 phun

Sau thời điểm này các hạt tuyết sẽ đọng lại trên chi lưới thoát (tác dụng của
lưới thoát là tạo ra nhiều diện tích làm tăng khả năng bám dính và tạo tuyết cho
CO2).
Khi bép 2, 3 phun trong khoảng 30 giây thì bép 1 ngừng phun và xy lanh sẽ
ép vào để tạo ra hình dạng viên đá CO2 theo biên dạng của lỗ khuôn.

Hình 8: Piston ép vào để tạo ra dạng viên đá CO2

1.3. Bình chứa CO2 lỏng
Bình chứa CO2 hóa lỏng được sử dụng trong việc lưu trữ. Thông số kỹ
thuật của bồn chứa CO2 lỏng:
• Áp suất làm việc: P = 22 at
• Nhiệt độ làm việc: t = -40oC
• Dung tích chứa (lít) : V = 25000 lít.

9


Hình 9: Bình chứa CO2 lỏng 25000 lít (Buze – Hải Phòng)

• Trên thân bồn CO2 lỏng còn lắp các đồng hồ kế chỉ áp suất và nhiệt độ
khi làm việc của bồn.

Hình 3: Đồng hồ đo áp suất của bình chứa CO2 lỏng

• Ngoài ra trên thân của bồn còn lắp các van xả, van an toàn và van giảm
áp đề phòng trường hợp áp suất trong bồn vượt quá giới hạn cho phép.

Hình 4: Các van xả, van an toàn, van giảm áp

- Van an toàn dùng để phòng quá tải: Khi áp suất dầu trong hệ thống vượt
quá giới hạn điều chỉnh thì van mở ra cho dầu về bể và áp suất dầu giảm xuống.
Trong trường hợp van an toàn làm nhiệm vụ giữ cho áp suất trong hệ thống
không thay đổi thì van đóng vai trò của van tràn. Lúc này van làm nhiệm vụ xả
dầu thừa về bể.
- Van tràn làm việc thường xuyên hơn van an toàn nhưng không theo yêu
cao về độ kín khít. Sự khác nhau của van toàn và van tràn là giữ cho áp suất dầu
không đổi trong hệ thống dầu ép, còn van an toàn làm nhiệm vụ đảm bảo cho hệ

10


thống dầu không bị quá tải. Về chức năng thì hai loại van này khác nhau nhưng
về kết cấu thì giống nhau nên có thể thay thế được.

Hình 5: Van điều tiết CO2 lỏng
- Van tràn: Là thiết bị thủy lực điều khiển áp suất trong mạch thủy lực. Van
tràn cũng giống với van an toàn là cùng thuộc nhóm thiết bị điều chỉnh áp suất
đầu vào (ta hiểu đầu vào ở đây là đầu vào của van). Tuy nhiên khác với van an
toàn chỉ mở khi áp suất tại nhánh lắp van đặt áp suất định mực thì van tràn lại
luôn ở trạng thái mở, liên tục rót chất lỏng về thùng chứa để đảm bảo giữ áp suất
không đổi tại đầu vào của van.
Van tràn là thiết bị bắt buộc đối với mạch thủy lực điều khiển bằng van tiết
lưu. Trong mạch thủy lực loại này van tràn được lắp song song với máy bơm để
đảm bảo áp suất của đầu ra máy bơm luôn không đổi.
- Van giảm áp có tác dụng giảm áp suất dầu của một bộ phận trong hệ
thống. Với các hệ thống thuỷ lực thì mỗi bộ phận sử dụng áp suất khác nhau, do
đó trên mỗi bộ phận thì người ta đặt các van giảm áp để điều chỉnh áp suất dầu

tại bộ phận đó ở giá trị thích hợp.
- Cơ cấu các van điều tiết CO 2 lỏng từ bồn chứa ra hệ thống nén CO 2 lỏng
thành đá CO2.
1.4. Thùng chứa đá CO2
Thùng chứa ngoài nhằm mục đích chứa đá khí vận chuyển, bảo ôn giảm
thiểu bay hơi đá. Vật liệu thùng được chế tạo bằng vật liệu inox với lớp bảo ôn
xung quanh. Thùng chứa được khoảng 50kg đá CO2.
1.5. Các loại CO2 và công dụng
* Các thuộc tính hóa – lý của CO 2: Điôxít cacbon là một khí không
màu mà khi hít thở phải ở nồng độ cao (nguy hiểm do nó gắn liền với rủi ro ngạt
thở) tạo ra vị chua trong miệng và cảm giác nhói ở mũi và cổ họng. Các hiệu
ứng này là do khí hòa tan trong màng nhầy và nước bọt, tạo ra dung dịch yếu
của axít cacbonic.
Tỷ trọng riêng của nó ở 25 °C là 1,98 kg m−3, khoảng 1,5 lần nặng
hơn không khí. Phân tử điôxít cacbon (O=C=O) chứa hai liên kết đôi và có hình
dạng tuyến tính. Nó không có lưỡng cực điện. Do nó là hợp chất đã bị ôxi hóa
hoàn toàn nên về mặt hóa học nó không hoạt động lắm và cụ thể là không cháy.
Ở nhiệt độ dưới -78 °C, điôxít cacbon ngưng tụ lại thành các tinh thể màu
trắng gọi là băng khô. Điôxít cacbon lỏng chỉ được tạo ra dưới áp suất trên

11


5,1 bar ở điều kiện áp suất khí quyển, nó chuyển trực tiếp từ các pha khí sang
rắn hay ngược lại theo một quá trình gọi là thăng hoa.
* Các loại đá và công dụng:
Đá khô dạng bột:
• 1 / 8 ", đường kính viên đá khô.
• Để sử dụng làm sạch.

Đá khô dạng hạt:
• 1 / 4 "có đường kính viên đá khô.
• Được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng thực phẩm
đông lạnh.
Đá khô dạng viên:
• 1 / 2 "đường kính viên đá khô.
• Được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng thực phẩm
đông lạnh.
• Được sử dụng trong các nhà máy chế biến thịt.
• Được sử dụng để vận chuyển các huyết tương và các
mẫu vật trong phòng thí nghiệm.

* Ứng dụng đá khô CO2 để làm sạch bề mặt máy móc thiết bị công
nghiệp:
Làm sạch bề mặt bằng tia đá lạnh CO2 hoạt động theo nguyên bijCsuwr
dụng khí nén áp suất cao bắn ra các tia đá khô (CO2 băng ở nhiệt độ -79 độ C)
với tốc độ phù hợp nhằm tác động vào các phân tử gây bẩn, làm các phân tử này
co ngót tức thì, bong tách ra khỏi bề mặt tác dụng, trả lại sự sạch sẽ, sáng bóng
như nguyên bản vốn có của bề mặt thiết bị, vật dụng.
Bên cạnh đó, tia đá lạnh từ máy không làm trầy sát, biến dạng và hư hại bề
mặt tác dụng vì đây là va chạm mềm. Khoảng thời gian xảy ra va chạm cực
nhanh, do vậy sự truyền lạnh chưa kịp đến các phân tử trên bề mặt tác dụng nên
không gây ra các tác nhân về khí. Công nghệ làm sạch bằng tia đá lạnh CO2 giúp
bề mặt động cơ trở nên sạch sẽ và sáng bóng. Đây là công nghệ đạt tiêu chuẩn
Châu Âu - tiêu chuẩn cao nhất trong các công nghệ làm sạch bề mặt những loại
vật thể có cấu tạo từ các chất liệu như sắt, nhựa, cao su, da, thiết bị điện, động
cơ… và không ảnh hưởng tới bộ phận máy.
So với phương pháp truyền thống là sử dụng nước và hóa chất để tẩy rửa
các vết cặn bám, đôi khi gây hoen ố bề mặt (ngoài ra còn tác động tới các đường
dây điện hay làm ô xi hóa bề mặt, ứ đọng nước tại những vị trí khó có thể nhìn

thấy bằng mắt thường), thì một ưu điểm nữa của công nghệ làm sạch bằng tia đá
đá lạnh CO2 là có thể làm sạch ngay ở những vị trí có cấu tạo nhiều chi tiết,

12


nhiều khe hẹp mà không cần tháo thiết bị máy móc, giữ nguyên hiện trạng và
không để lại hơi ẩm nên có khả năng bảo vệ độ bền máy móc, thiết bị.
Bên cạnh đó, công nghệ này không sử dụng thêm bất kỳ hóa chất tẩy rửa
do vậy không gây ảnh hưởng đến máy móc, thiết bị.
Công nghệ này cũng mang lại hiệu quả tốt về môi trường khi không sử
dụng nguồn nước ngọt.
1.6. Khuôn tạo đá dạng viên nén
Do có nhiều loại đá được sử dụng trong thực tế tùy thuộc vào nhu cầu, sẽ
có nhiều máy và dạng khuôn tạo đá khác nhau (lỗ khuôn).

Hình 13: Các loại khuôn ép đá viên

2. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến năng
suất, chất lượng quá trình tạo đá CO2
2.1. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng đá CO2
2.1.1. Kích thước đường kính viên đá.
- Đá CO2 dạng viên nén có đường kính 3; 6; 10; 15mm ứng với chiều dài lỗ
khuôn l(mm) (theo thiết kế);
- Khối lượng riêng của đá ρco2 =1,60 g/cm3
Bảng 1: Đường kính và kích thước viên đá

d (mm)
l (mm)

3
40

6
40

10
80

15
80

2.1.2. Độ cứng và tỉ số nén
Đá viên CO2 dạng viên nén có các đường kính khác nhau cũng có độ cứng
khác nhau do cấu trúc viên nén và tỷ số nén của viên đá. Biểu đồ dưới đây cho
thấy độ cứng của viên đá thay đổi như thế nào khi tăng đường kính viên đá .
Viên nén CO2 có độ cứng tỷ lệ thuận với đường kính viên đá . Biểu đồ dưới đây
thể hiện mối quan hệ giữa độ cứng của đá viên với đường kính viên đá.
Theo cấu trúc hình thành và phương pháp sản suất đá khô tỷ số nén (tuyết
- đá ) luôn cố định theo mật độ ở trạng thái rắn CO2
Bảng 2: Bảng hệ số nén và độ cứng của viên đá

Đường kính viên đá
Chiều dài viên đá
Độ cứng viên đá
Tỷ số nén

d (mm)
l (mm)
δ (kg/cm2)

i

3
40
2
2,5

13

6
40
2,3
2,5

10
80
2,7
2,5

15
80
3,2
2,5


Hình 6: Độ cứng viên đá CO2

2.1.3. Nhiệt độ
Nhiệt độ của đá khoảng -80oC. Nhiệt độ âm sâu tạo ra cho nó có rất nhiều
công dụng tuy nhiên với máy làm đá cũng gây nhiều khó khăn cho công tác thiết

kế, chế tạo, vật liệu thường phải có khả năng chống ghỉ như: Inox; đồng, hợp
kim nhôm…Độ kín khít khuôn cũng rất quan trọng do đó phải tính toán lựa
chọn dung sai lắp ghép phù hợp với đặc tính co ngót của khuôn khi làm việc.
2.2. Một số thông số ảnh hưởng đến quá trình tạo đá CO2
2.2.1. Ảnh hưởng của áp suất CO2 lỏng

Hình 7: Biểu đồ chỉ rõ vùng áp suất tạo đá CO2

Qua biểu đồ ta nhận thấy rằng phần giao giữa khoảng áp suất có được và
khoảng nhiệt độ được tạo ra khi bay hơi là phần tạo ra tuyết CO 2 ở dạng rắn. Áp
suất khí nén càng tăng và nhiệt độ tạo ra khi phun càng thấp thì phần diện tích
biểu đồ càng lớn tương ứng với khả năng tạo tuyết (đá) tăng lên tỷ lệ chuyển đổi
lỏng rắn giảm đi.
Khoảng nhiệt độ T là khoảng nhiệt độ có được từ CO 2 lỏng ở trong bình
và nhiệt thu được khi bay hơi của CO 2 lỏng thông thường sấp sỉ bằng (-80; -40)
o
C.
Khoảng áp suất P là khoảng áp suất từ áp suất khí quyển đến áp suất thực
có của bình (0; 22) atm
Với lượng sử dụng 8,3% lưu lượng một tháng ứng với bình dung tích 12
khối ta có bảng thay đổi áp suất của bình theo thời gian tháng như sau

14


Bảng 3: Áp Suất bình thay đổi theo tháng sử dụng
Thời gian ( tháng )
Áp suất bình chứa
CO2 kg/cm2
Lượng % khí sử

dụng trong tháng

1

2

22,00 20,17
8,33

8,33

3
18,4
9
8,33

4

5

16,95 15,53
8,33

8,33

6
14,2
4

7

8

9

10

11

12

13,05

11,96 10,97

10,05

9,22

8,45

8,33

8,33

8,33

8,33

8,33

8,33

8,33

Hình 16: Biểu đồ mô tả sự thay đổi áp suất theo thời gian sử dụng với lượng sử dụng
8,3% một tháng
Bảng 4: Bảng thực nghiệm quan hệ giữa áp suất bình chứa và công suất tạo đá
Áp suất bình
chứa CO2
kg/cm2
Công suất tạo
đá kg/h

22,00

20,17

18
,49

16
,95

15
,53

14
,24

13
,05

11
,96

10
,97

10
,05

,22

9
,45

8

120

114

107,1

99,65

91,68

83,43

75,09

66,83

58,81

51,16

0

0

Hình 8 : Biểu đồ liên hệ giữa áp suất bình chứa và công suất tạo đá

Bằng phương pháp lắp thêm một hệ thống van chiết áp giảm áp suất. Ta
mô phỏng được quá trình giảm áp suất của bình nén qua từng tháng sử dụng từ
đó lập được một bảng quan hệ giữa độ giảm của áp suất tới khả năng tạo đá của
máy phun CO2
Nhận xét: Qua các bảng biểu và đồ thị ta nhận thấy rằng lượng tạo
thành đá CO2 phụ thuộc nhiều vào áp suất bình chứa CO 2 lỏng. Công suất tạo
đá càng lớn khi áp suất bình chứa càng cao. Trong khoảng áp suất (1;22)atm
thì công suất tạo đá tỷ lệ thuận với độ tăng của áp suất bình chứa. Và khi bình

15


có áp suất dưới 9,22 atm sẽ sảy ra hiện tượng đóng băng CO 2. Tức CO2 lỏng
trong bình hóa rắn và không thể trực tiếp sản suất được nữa. Vậy khoảng áp lực
làm việc của bình chứa phải luôn đạt trong khoảng (15-22)atm.

2.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ CO2 lỏng

Hình 18: Giản đồ pha trạng thái CO2

Qua giản đồ pha trạng thái của CO2 ta nhận thấy để chuyển đổi được CO2
từ trạng thái lỏng thành trạng thái rắn là tuyết cần được hực hiện ở khoảng biều
đồ (B;C). Để hiệu suất của máy tăng cao cần chuyển đổi triệt để CO 2 sang trạng
thái tuyết tức là chuyển đổi được kéo dài thêm một đoạn khi lượng đá tạo ra
bằng tổng lượng đá do chuyển từ lỏng sang rắn + với lượng chuyển đổi từ lỏng
sang khí rồi từ khí chuyển qua rắn. Nhận thấy nhiệt độ càng thấp lượng tạo tuyết
CO2 càng lớn.
Khoảng nhiệt độ T là khoảng nhiệt độ có được từ CO 2 lỏng ở trong bình
và nhiệt thu được khi bay hơi của CO 2 lỏng thông thường sấp sỉ bằng (-80; -40)
o
C. Coi như buồng phun tạo tuyết là một hệ kín thì khoảng nhiệt độ T sẽ thay đổi
từ khoảng nhiệt độ bình tới nhiệt độ thăng hoa max của khí CO 2 ở áp suất khí
quyển 1 atm và bằng (-80; -40) oC
Nhận thấy lượng chuyển đổi lỏng rắn trong trạng thái áp suất từ 5,11 atm
tới áp suất bình chứa có khoảng nhiệt độ thay đổi rất nhỏ từ (55;56,6) oC và
công suất tạo tuyết của máy phụ thuộc chủ yếu vào vùng áp suất này nên
khoảng thay đổi nhiệt độ 1,6oC có ảnh hưởng ít tới quá trình tạo thành tuyết của
CO2 lỏng .
* Quan hệ giữa P và T : Khi cho khí CO2 lỏng bị nén nhanh trong lòng
khuôn, nếu thể tích khí giảm khoảng 2 lần, nhiệt độ sẽ giảm từ -25 oC (nhiệt độ
của CO2 lỏng) xuống -80oC và sẽ tạo thành tuyết (từ điều kiện P 1 V1 = P2V2)
(định luật Charles). Nếu ở nhiệt độ T = -79,5 oC; áp suất P =1atm = 1,0325 bar
khí CO2 lỏng sẽ chuyển thành tuyết. Trong thực tế để tạo thành tuyết áp suất
phải lớn hơn 5,1 atm.
Nhận xét : Khoảng nhiệt độ từ (56,6;80) oC có ảnh hưởng quyết định tới
quá trình tạo thành nhiệt độ ổn định của quá trình tạo tuyết . Khi CO 2 dạng khí

16


thăng hoa sẽ kéo theo giảm nhiệt độ phục vụ trực tiếp cho quá trình chuyển đổi
lỏng rắn

Hình 9: Biểu đồ liên hệ giữa áp suất và nhiệt độ của quá trình chuyển CO2 lỏng thành
dạng rắn (tuyết)

2.2.3. Ảnh hưởng của lưu lượng khí CO2 lỏng qua bép phun.
Tổng thời gian hành trình kép:
Thtk=Tđi+ Tvề+Tphun
Trong đó:
- Thtk: là tổng thời gian của một hành trình kép
- Tđi: Thời gian xilanh ép vào
- Tvề: Thời gian xilanh trả về
- Tphun: Thời gian phun khí CO2
- Quãng đường S =160mm .
- Lưu lượng khí phun:
Q =A.V là công thức liên quan giữa vận tốc và lưu lượng của xilanh
Trong đó:
+ A: Là diện tích hữu ích của xi lanh (cm2 )
+ Q: Là lưu lượng(cm3) 13 lít/phút =13000 cm3/ph
+ V: Là vận tốc chuyển động của xi lanh (cm)
Vậy Vđi=Q/A=13000/(3,14.102.4-1)=165,6 cm/ph
Vvề=Q/A=13000/(3,14.(102-52 ).4-1)=220,8 cm/ph
Vđi=27,6 mm/s
Vvề=36,8 mm/s
Ta coi như xilanh chuyển động đều ta có được:

Tđi =160/27.6= 5,79s
Tvề =160/36,8= 4,34 s
Tphun=12- 4,34-5,79=1,87 s
(Theo thông số máy: Thtk= 12s)
Một hành trình tạo ra 0,3 kg đá Vđá = 300.1,6=480 (cm3)
Lưu lượng Q mỗi lần phun cần cung cấp Q=480 /1,87= 256,68 (cm3/s)
Với thời gian hoạt động quy định 1.87s kết hợp với van phun ¼’ thì lưu
lượng qua 1 lần phun đạt mức cố định là 256 (cm3/s) từ đó ta tính toán được
năng suất tạo đá định mức của máy là 120kg/giờ.

17


Cố định các thông số đầu vào và thay đổi lưu lưu lượng CO 2 lỏng bép
phun ta có được bảng quan hệ giữa lưu lượng CO2 lỏng và công suất tạo đá định
mức của máy.
Bảng 5: Mối quan hệ giữa lưu lượng van phun và công suất tạo đá
Thời gian phun đá (s)
trọng lượng riêng đá (g/cm3)
Số hành trình tạo đá trong 1 h
Lưu lượng Q= S.v (cm3/s)
Công suất tạo đá (kg/h)

1,87
1,6
300
342,3
120,0

1,87

1,6
300
292,3
102,5

1,87
1,6
300
242,3
85,0

1,87
1,6
300
192,3
67,4

1,87
1,6
300
142,3
49,9

1,87
1,6
300
92,3
32,4

Từ đó ta xây dựng biểu đồ thông qua những điểm đo được khi thay đổi

lưu lượng CO2 lỏng qua bép phun.

Hình 10: Biểu đồ liên hệ giữa công suất tạo đá và lưu lượng CO2 lỏng qua bép phun

Nhận xét: Mối liên hệ giữa công suất tạo đá và lưu lượng CO 2 lỏng qua
bép phun là mối quan hệ đồng biến khi lưu lượng khí qua bép phun tăng lên thì
năng suất tạo đá cũng tăng lên và ngược lại khi lưu lượng khí qua bép phun
giảm xuống thì lượng tạo đá cũng giảm theo. Mức độ giảm nhiều qua đó ta
cũng thấy được tầm quan trọng của lượng phun khí CO 2 qua một chu kỳ có ảnh
hưởng lớn tới công suất tạo đá của máy.
2.2.4. Lực ép
Lực ép của xilanh không quyết định tới năng suất tạo đá mà nó quyết định
trực tiếp tới chất lượng của đá viên được ép ra. Lực ép càng cao thì độ bền của
đá viên cũng tăng lên. Chất lượng viên đá và thời gian bảo quản qua đó cũng
được cải thiện. Với cùng một khối lượng tuyết không đổi lực ép lên chúng tăng
làm cho mật độ CO2 trên một đơn vị thể tích cũng tăng lên độ nén cũng như độ
cứng cũng tăng theo. Chất lượng đá viên được cải thiện khó vỡ hơn . Với cùng
một khối lượng CO2 nhưng mật độ CO2 rắn tăng lên đồng nghĩa với thể tích CO 2
rắn giảm đi bề mặt bay hơi có diện tích giảm xuống làm cho thời gian bảo quản
viên đá tăng cao.
Bảng 6: Liên hệ giữa lực ép và độ cứng đá viên (viên đường kính 3mm)
Áp suất nguồn
dầu(kg/cm2)
Lực
nén
xylanh (tấn)

0

30

60

90

120

150

0

2,36

4,71

7,07

9,42

11,78

18

180
14,1
3

210
16,4
9

240
18,8
4

270
21,20

Điều chỉnh
áp nguồn
dầu


δ nén của đá
viên (kg/mm2)

0

0,95

0,99

1,04

1,09

1,15

1,21

1,27

1,33

1,40

Đo đá viên

Hình 11: Biểu đồ liên hệ giữa lực ép và độ cứng đá viên (viên 3mm)
2.2.5. Chiều dài hành trình ép xi lanh

Hình 12: Sơ đồ hành trình ép xilanh

A : Điểm chết trên
B : Điểm chết dưới
Qua sơ đồ cho thấy chiều dài hành trình ép của xilanh là khoảng (A; B)
mặc định (A; B)=160mm. Ta nhận thấy chiều dài của hành trình ép xilanh là yếu
tố quyết định đến thể tích buồng phun tạo tuyết. Khi thể tích buồng phun nhỏ
lượng tuyết tạo ra trên một hành trình cũng ít hơn và ngược lại khi buồng phun
tuyết có thể tích tăng lên thì lượng tuyết tạo ra trên một hành trình cũng lớn hơn.
Điểm chết trên A là điểm nằm trên mặt phẳng khuôn ép cũng chính là
điêm giới hạn của xilanh. Xilanh sẽ không bao giờ có thể vượt qua điểm này.
Vậy điểm chết trên A là luôn cố định.
Điểm chết dưới B là điểm có giới hạn dưới của xilanh (khi mặc định
xilanh về hết hành trình L=160mm). Thông thường điểm này sẽ được tích hợp
với cảm biến hành trình. Tuy nhiên khi thay đổi cảm biến hành trình lại gần
điểm chết trên A thì khoảng AB < 160 và ta có thể giới hạn được khoảng AB
bằng cách thay đổi vị trí của cảm biến hành trình dưới.
Với chiều dài hành trình mặc định và thời gian cho một chu kỳ là 8s ta có
thể tích lăng trụ sẽ là: V3= l.π.d2/4 mm3

* Tính toán buồng phun khí CO2:
- Công suất: Q=120 (kg/h)
- Chu kì ép đá (thời gian piston đi và về): t = 8 (s)
- Công suất của máy tạo đá được tính theo công thức sau:

19


d 2 (kg/h)
Q = k .m = k .z.ρ .π . .l
4

(1)

Trong đó: Q: Công suất của máy tạo đá (kg/h)
k: Số lần ép của piston trong 1 giờ (trong quá trình làm việc ổn định)
m: Khối lượng đá 1 lần ép (kg)
z: Số lỗ khuôn
ρ: Khối lượng riêng của đá CO2 (kg/m3)
d: Đường kính viên đá (đường kính lỗ khuôn) (m)
l: Chiều dài lỗ khuôn (chiều dày khuôn) (m)
+ Số lần ép của piston trong 1h:

+ Số lỗ khuôn tạo đá được tính như sau: z =

4.Q
k .ρ .π .l.d 2

Trong trường hợp d = 15 (mm) thì ta có:
Chọn z = 12 (lỗ)

Chọn cách bố trí lỗ: Hướng tâm
+ Đường kính trong của xi lanh: D ≥ 4.d = 64 (mm). Chọn D = 80 (mm)
+ Thể tích tuyết 1 lần ép:
d2
162
Vt = 3.Vd = 3.z.π . .l = 3.z.π .
.80 = 626995 (mm3)
4
4
4.Vt
4.626995
=
= 125 (mm); Chọn L = 125mm.
2
π .D
π .802
Vt
+ Hiệu suất tạo tuyết: η = = 75%
Vk
V
+ Thể tích khí CO2: Vk = t = 835993, 6 (mm3)
0.75

+ Hành trình xi lanh: L ≥

Vậy hành trình thực tế xilanh là: L=125+125.25%=156mm;
Chọn L=160mm.
Với L=160mm thì lượng tuyết thực tế có được Vt= 626995 (mm3)
Áp dụng phương pháp tính toán tương tự ta thành lập được bảng quan hệ
giữa chiều dài hành trình ép xilanh và lượng tuyết trên một chu trình ép như

bảng 7.
Bảng 7: Bảng quan hệ giữa chiều dài hành trình và thể tích tuyết 1 lần ép
L(mm)

160

155

150

145

140

135

130

125

120

V(mm3)

803840

778720

753600

728480

703360

678240

653120

628000

602880

20


Hình 13: Biểu đồ quan hệ giữa chiều dài hành trình và lượng đá

Nhận xét: Qua đó ta thấy được chiều dài hành trình ép và lượng đá tạo ra
trên một hành trình có quan hệ đồng biến tăng dần khi yếu tố về chiều dài tăng
lên thì lượng đá tạo ra trên một hành trình cũng tăng lên đồng nghĩa với công
suất tạo đá tăng.
2.2.6. Ảnh hưởng của chu kỳ ép
Chu kỳ ép đá CO2 là khoảng thời gian T mà máy thực hiện một hành trình
kép tạo ra một lượng đá CO2 nhất định. Nó được đặc trưng bằng số hành trình
kép trên một phút và có ảnh hưởng quyết định tới công suất tạo đá. Chu kỳ ép
càng nhỏ tương đương với số hành trình kép càng lớn lượng đá tạo ra nhiều hơn.
Chu kỳ ép nhỏ số hành trình kép trên phút nhỏ lượng đá tạo ra cũng lớn hơn.
Tuy nhiên nếu chu kỳ ép quá nhỏ lại không đủ thời gian phun khí CO 2 lỏng dẫn
đến nhiệt độ không đạt tới độ -80oC và lượng chuyển đổi nhỏ không đủ để
chuyển hóa lượng CO2 lỏng thành dạng tuyết như vậy năng suất của máy tạo đá

cũng không được cao. Ở mức độ hoạt động ổn định nhất, phù hợp nhất lượng tạo
đá sẽ lớn nhất và mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất.
Tổng thời gian hành trình kép: Tck=Tđi+ Tvề+Tphun
Trong đó:
- Tck: là tổng thời gian của một hành trình kép
- Tđi: Thời gian xilanh ép vào
- Tvề: Thời gian xilanh trả về
- Tphun: Thời gian phun khí CO2
- Quãng đường S =160 mm.
- Lưu lượng khí phun: Q = A.V (cm3/ph)
Trong đó:
+ A: Là diện tích hữu ích của xi lanh (cm2 )
+ Q: Là lưu lượng(cm3) 13 lít/phút =13000 cm3/ph
+ V: Là vận tốc chuyển động của xi lanh (cm)
Vậy Vđi=Q/A=13000/(3,14.102.4-1)=165,6 cm/ph
Vvề=Q/A=13000/(3,14.(102-52 ).4-1)=220,8 cm/ph
Vđi=27,6 mm/s
Vvề=36,8 mm/s

21


Ta coi như xilanh chuyển động đều ta có được:
Tđi =160/27.6= 5,79s
Tvề =160/36,8= 4,34 s
Do lưu lượng bơm thủy lực là cố định trong khoảng thời gian làm việc coi
như hệ thống xilanh chuyển động đều ta có được T đi = 5,79 s; Tvề = 4,34 s là thời
gian cố định của một chu kỳ
Do đó: Tck=Tđi+ Tvề+Tphun= 5,79+4,34+ Tphun= Tphun+10,13 (s)
Qua đó ta nhận thấy rằng thời gian thực hiện một hành trình kép của quá

trình tạo tuyết CO2 phụ thuộc hoàn toàn vào thời gian phun của bép phun.
Điều khiện của Tphun như sau Tphun > 0 và thời gian phun phải tạo ra lượng
tuyết nhỏ hơn lượng tuyết định mức cho phép mà buồng chứa tuyết có thể chứa
đươc.
Bảng 8: Bảng quan hệ giữa thời gian phun và lượng đá tạo ra trong một chu kỳ
Tphun
(s)
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5

Tck
(s)
10,63
11,13
11,63
12,13
12,63
13,13
13,63
14,13
14,63

Số

(HTK)
339
323
310
297
285
274
264
255
246

Qbép phun
(mm3/s)
256680
256680
256680
256680
256680
256680
256680
256680
256680

Vtuyết
(cm3)
89,8
179,6
269,5
359,3
449,1

539,0
628,8
718,7
808,5

mtuyết
(g/htk)
144
287
431
575
719
862
1006
1150
1294

A
(kg/giờ)
49
93
133
171
205
236
266
293
318

Hình 2414: Biểu đồ liên hệ giữa Tphun và công suất tạo đá

Thể tích của buồng chứa tuyết: V=0.25.π.D 2.l=0,25.3,14.802.160=803830
(mm3).
Coi như lượng tuyết có được lấp đầy thể tích buồng phun tuyết vậy theo
tính toán ta của chuyên đề tính toán bép phun khí ta sẽ tính được thời gian phun
tuyết lớn nhất.
Tphun max = 4,5s; do đó ta chọn thời gian phun trong khoảng 0 < T phun ≤
4,5s. Thay đổi Tphun bằng một số giá trị nhất định ta sẽ có được số hành trình kép
trên một phút thay đổi và lượng tuyết CO 2 được tạo ra (bảng 8). Các thông số
tính đến không kể lượng tuyết thất thoát và lượng hao hụt. Coi như lượng CO 2
chuyển đổi 100% từ lỏng qua rắn.

22


Nhận xét: Qua bảng quan hệ giữa thời gian phun ta nhận thấy chu kỳ ép
có ảnh hưởng lớn tới năng suất tạo đá A của máy tạo đá. Chúng có mối quan hệ
đồng biến khi thời gian phun tăng lên tuy số hành trình kép giảm xuống đáng kể
nhưng lượng tạo đá trong một hình trình kép lại tăng lên nhiều lần dẫn tới công
suất của máy tạo đá cũng tăng lên
2.2.7. Ảnh hưởng của lượng thoát khí CO2
Thoát khí là hiện tượng làm giảm năng suất tạo đá nhưng không kém
phần quan trọng trong quá trình tạo thành đá viên CO2.

Hình 15: Giản đồ pha trạng thái CO2

Thoát khí làm giảm năng suất tạo đá, tuy nhiên khi tạo đá là quy trình bắt
buộc phải có khi thực hiện quá trình ép đá CO 2. Chu trình thoát khí nhằm giảm
bớt áp lực trong buồng ép không gây nổ cũng như tạo thành phản lực tại bép
phun gây đóng băng bép phun gây tắc khí, dẫn tới không tạo ra đá CO 2 được.

Nhưng quá trình giảm áp này lại đồng thời làm giảm hiệu suất của quá trình
chuyển đổi rắn lỏng. Giảm áp suất làm giảm phần diện tích giao giữa P và T trên
giản đồ trạng thái. Do đó nó làm giảm năng suất tạo đá.
Tuy nhiên quá trình thoát khí CO2 lại cũng là một quá trình quan trọng.
Nhờ có khí CO2 thoát rạ tạo ra một nhiệt lượng âm do CO 2 dạng khí thăng hoa
thu nhiệt tạo nên nhiệt độ -78oC giúp quá trình chuyển đổi từ rắn sang lỏng hiệu
quả hơn.
Hiện tượng thoát khí là một hiện tượng vừa có lợi nhưng cũng có hại cho
quá trình hình thành tuyết trong buồng tạo tuyết. Không thể chỉ tận dụng một
mặt lợi hay mặt hại của quá trình này mà cần phải lựa chọn phù hợp giữa hai
mặt của trình giúp lượng khí thoát ra tạo ra lượng nhiệt có lợi nhất nhưng vẫn
duy trì lượng áp suất đủ để tạo ra lượng tuyết CO 2 đủ để đảm bảo hiệu suất và
công suất tạo đá của máy ép đá.
Trường hợp 1: Nhiệt lượng -780C được tạo thành khi khí CO 2 thăng hoa
ở áp suất khí quyển. Chính vì vậy lượng thoát khí sau khi thoát ra khỏi lưới thoát
phải có áp suất của khí quyển và lượng hao hụt áp suất tại vị trí phun trong quá
trình phun phải đúng bằng áp suất này để tận dụng lượng thay đổi nhiệt trong
khi áp suất chỉ giảm đi đúng bằng lượng áp suất bình trừ đi áp suất khí quyển.
Bài toán khi này quay trở lại bài toán ảnh hưởng của áp suất phun tới
công suất tạo đá đã được trình bày ở phía trên tuy nhiên lúc này áp suất phun sẽ
giảm đi một lượng đúng bằng áp suất khí quyển 1atm. Bù lại lượng thay đổi áp

23


suất tại vị trí phun trong quá trình phun này ta lại có được lượng nhiệt -780C khi
CO2 thăng hoa phục vụ cho quá trình chuyển đổi lỏng sang rắn.
Trường hợp 2: Áp suất thoát ra lớn hơn áp suất khí quyển CO 2 không
thăng hoa tại buồng phun nhiệt độ âm không đạt tới nhiệt độ -780C. Lúc này bài
toán là sự kết hợp giữa bài toán ảnh hưởng của áp suất CO 2 và bào toán ảnh

hưởng của nhiệt độ CO2. Bài toán rõ ràng phức tạp hơn rất nhiều.
Áp dụng phương pháp giải toán dựa vào biểu đồ ta có biểu đồ (hình 26).

Hình 16: Biểu đồ trạng thái CO2 (có thoát khí)

Rõ ràng ta nhận thấy khi lượng áp suất thoát ra lớn hơn lượng áp suất cho
phép dẫn tới nhiệt độ âm tại buồng phun không đạt -78 0C phần diện tích (P2,t2)
màu xanh nhỏ hơn phần diện tích (P1,t1). Như vậy lượng tạo đá đã giảm đáng kể.
Lượng thoát khí càng lớn thì phần diện tích (P 2,t2) càng nhỏ khi đó năng suất tạo
đá của máy thấp.
Nhận xét: Các thông số của máy có liên quan chặt chẽ với nhau khi thay
đổi bất kỳ thông số công nghệ nào của máy thì lập tức các thông số khác của
máy cũng đồng loạt thay đổi theo. Và thông thường khi giảm các thông số công
nghệ xuống thì công suất tạo đá cũng giảm theo. Có một số thông số đặc biệt
như nhiệt độ thoát khí lại có xu hướng nghịch biến khi các thông số này càng
tăng lên thì công suất tạo đá của máy lại càng giảm xuống. Qua đây nhận thấy
để đảm bảo công suất tạo đá lớn nhất cần cài đặt cũng như chú ý tới toàn bộ
các thông số một cách phù hợp nhất. Khi thay đổi bất kỳ một thông số nào cũng
cần phải thay đổi các thông số khác để phù hợp với thông số vừa thay đổi để
đảm bảo công suất tạo đá ổn định và hiệu suất của máy là cao nhất.
KẾT LUẬN
- Các kết quả nghiên cứu về chế độ công nghệ của máy làm đá CO 2 viên
3mm lần đầu tiên được thực hiện tại Việt Nam cho phép làm chủ công nghệ chế
tạo, sử dụng máy sản xuất đá CO2.

24


- Kết quả nghiên cứu cho phép người sử dụng lựa chọn được chế độ làm
việc (P, Q, Z, Qđá,T....) khi vận hành máy trong điều kiện sản suất và môi trường

nhiệt đới tại Việt Nam để đảm bảo công suất tạo đá là lớn nhất và hiệu quả làm
việc của máy là cao nhất.
- Xây dựng được hệ thống thí nghiệm đáp ứng được yêu cầu nghiên cứu.
- Sản suất đá CO2 rắn ở Việt Nam phục vụ làm sạch công nghiệp, bảo
quản…góp phần bảo vệ môi trường sống do tận dụng được nguồn khí thải CO 2
một phụ phẩm công nghiệp có giá trị tại những nhà máy công nghiệp: xi măng,
nhà máy sản xuất phân bón, nhà máy đường, nhiệt điện...

25