Chuong 14 co luu chat

CHƯƠNG 14
HẠT VÀ KHỐI HẠT
Các vật liệu là sản phNm thể rắn tồn tại dưới dạng hạt được gọi là vật liệu hạt rời.
Nhiều hạt rời gộp lại gọi là khối hạt.
1. TÍNH CHẤT
- Tính có khối lượng riêng: gồm khối lượng riêng thể tích kg/m3) và độ xốp được xác
ρ
định ε = 1 − v ; kg/m3
ρr
N
- Tính có tỉ trọng;
m3

- Độ cứng: biểu thị khả năng chống lại quá trình gia công nó
- Tính dòn: vật liệu càng dòn càng dễ vỡ, vật liệu càng nhuyễn độ cứng càng tăng
- Tính trơn: biểu thị sự ma sát giữa vật liệu với vật liệu, giữa thùng chứa với vật liệu.
- Tính Nm: độ Nm > 50% thì vật liệu khó lưu chuyển, độ Nm càng nhỏ thì hiệu suất
nghiền càng cao.
- Tính năng lượng bề mặt: biểu diễn theo đơn vị erg/cm2, chất rắn nào có bề mặt càng
cứng thì năng lượng bề mặt càng lớn. Ví dụ, kim cương có năng lượng bề mặt
9000erg/cm2, muối biển 155erg/cm2
- Lực tĩnh điện: lực này làm cho các hạt liên kết lại với nhau làm khó lưu chuyển, các
hạt phi kim loại mang điện tích dương, còn hạt kim loại mang điện tích âm
2. ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU RỜI

Có hai đại lượng đặc trưng là kích thước hạt và hình dạng hạt.
-

Hình dạng hạt: ký hiệu λ

Là tỉ số giữa diện tích bề mặt hạt với thể tích hạt đó, xem bảng (14.1) là hình dạng một

số hạt thông dụng
Bảng 14.1
Tên vật liệu
Hạt hình cầu, lập phương
Hạt cát
Hạt bụi than
Hạt thuỷ tinh nghiền
Hạt mica

Hình dạng hạt λ
1
1,2
1,4
1,5
3,6
216


-

Kích thước hạt

Đặc trưng bằng đường kính hạt, dùng đại lượng đường kính tương đương để xác định

kích thước hạt.
D td = D h =

D bat ky

(14 – 1)

λ

Có 3 phương pháp đo kích thước hạt:
+ Với hạt lớn hơn 5mm ⇒ Đo bằng dụng cụ cơ học
+ Với hạt từ (0,5 ÷ 5)mm ⇒ Đo bằng microscope
+ Với hạt nhỏ hơn 0,5mm ⇒ Đo bằng kích thước trung bình của đường kính lỗ 2
rây liên tiếp trong hệ rây tiêu chuNn Tyler
- Trong hệ rây Tyler, thuật ngữ Mesh biểu thị số lỗ danh nghĩa trên chiều dài 1inch
(1inch = 25,4mm). Bảng (14.2) là bảng hệ rây chuNn Tyler
+ Rây 4 Mesh nghĩa là trên 1inch có 4 lỗ và kích thước lỗ xác định bằng
 1inch

− 0,065 inch  = 0,185inch = 4,699mm

 4

+ Rây 10 Mesh nghĩa là trên 1inch có 10 lỗ, và kích thước lỗ xác định bằng
 1inch

− 0,035 inch  = 0,065inch = 1,651mm

 10

+ Hệ rây chuNn gồm một dãy rây kích thước chồng lên nhau từ lỗ lớn xuống lỗ
nhỏ, kích thước lỗ theo cấp số nhân hệ số

2.

0,185

= 0,131inch
2
4
+ Muốn tính lỗ khít hơn thì tính theo cấp số nhân hệ số 2
0,185
Ví dụ: lỗ 4 mesh là 0,185 inch và lỗ 5 mesh là 4
= 0,156 inch
2
Bảng 14.2. Hệ rây chuNn Tyler
Khoảng cách hai rây = 4 2 , cho hệ rây khít hơn
Khoảng cách
chuNn = 2
Đường kính sợi
, lỗ rây, inch
Lỗ rây, inch
Lỗ rây, mm Số mesh
inch
Ví dụ

lỗ 4 mesh là 0,185 inch và lỗ 6 mesh là

1.050

0.742

1.050

26.67

….

0.148

0.883

22.43

….

0.135

0.742

18.85

….

0.135

0.624

15.85

….

0.120

217

Khoảng cách
chuNn = 2
, lỗ rây, inch
0.525

0.371

0.263

0.185

0.131

0.093

0.065

0.046

0.0328

0.0232

0.0164

0.0116

0.0082

Khoảng cách hai rây =

4

2 , cho hệ rây khít hơn

Lỗ rây, inch

Lỗ rây, mm

Số mesh

Đường kính sợi
inch

0.525

13.34

….

0.105

0.441

11.21

….

0.105

0.371

9.423

….

0.092

0.312

7.924

2.5

0.088

0.263

6.680

3

0.070

0.221

5.617

3.5

0.065

0.185

4.699

4

0.065

0.156

3.951

5

0.044

0.131

3.327

6

0.036

0.110

2.798

7

0.0326

0.093

2.362

8

0.032

0.078

1.986

9

0.033

0.065

1.651

10

0.035

0.055

1.388

12

0.028

0.046

1.168

14

0.025

0.039

0.983

16

0.0235

0.0328

0.833

20

0.0172

0.0276

0.701

24

0.0141

0.0232

0.589

28

0.0125

0.0195

0.496

32

0.0118

0.0164

0.417

35

0.0122

0.0138

0.350

42

0.0100

0.0116

0.295

48

0.0092

0.0098

0.248

60

0.0070

0.0082

0.208

65

0.0072

0.0069

0.175

80

0.0056

218


Khoảng cách
chuNn = 2
, lỗ rây, inch
0.0058

0.0041

0.0029

0.0021
0.0015

Khoảng cách hai rây =

4

2 , cho hệ rây khít hơn

Lỗ rây, inch

Lỗ rây, mm

Số mesh

Đường kính sợi
inch

0.0058

0.147

100

0.0042

0.0049

0.124

115

0.0038

0.0041

0.104

150

0.0026

0.0034

0.088

170

0.0024

0.0029

0.074

200

0.0021

0.0024

0.062

230

0.0016

0.0021

0.053

270

0.0016

0.0018

0.045

325

0.0014

0.0015

0.038

400

0.0010

• Cách biểu diễn kích thước trên các mặt rây
Ví dụ:
Vật liệu lọt qua rây 100 mesh và bị giữ trên rây 150 mesh thì viết là (− 100 + 150 )
100
0,147 + 0,104
hoặc

và xác định kích thước cỡ hạt D h =
= 0,1255mm
150
2
4
Vật liệu lọt qua rây 4 mesh và bị giữ lại trên rây 6 mesh thì viết là (− 4 + 6 ) hoặc và
6
4,699 + 3,327
xác định kích thước cỡ hạt D h =
= 4,013 mm
2
• Bộ rây đầy đủ là bộ rây gồm mặt rây trên cùng là 3 mesh, rây dưới cùng là 200 mesh,
và dưới nữa là hộp chứa sản phNm sau khi rây, tất cả đặt trên giá rung bằng động cơ. Xem
hình (14 – 1) biểu diễn hệ rây Tyler

219


3. PHƯƠNG PHÁP LÀM BÀI TỐN PHÂN TÍCH RÂY
3.1.

Trình tự thí nghiệm

-

Trước hết bộ rây phải được thổi sạch bằng khí nén.

-

Thứ tự xếp rây lỗ lớn ở trên, lỗ nhỏ ở dưới, dưới cùng là hộp đựng

-

Cân lượng vật liệu cần phân tích đổ vào rây trên cùng

-

Kích hoạt động cơ chạy và bắt đầu rây

-

Sau khi rây một thời gian, lấy lượng bột mịn ở hộp 3 ra

-

Cho sàng tiếp, lặp lại nhiều lần cho đến lúc ở hộp khơng còn thấy bột mịn nữa là
q trình rây kết thúc.

-

Đem cân lượng vật liệu bị giữ lại trên mỗi mặt rây và trình bày theo hai bảng 14. 3

và bảng 14.4
Ta gọi:

+ Dn: đường kính lỗ rây thứ n từ lỗ lớn đến lỗ nhỏ
Lượng vật liệu bi giữ trên rây thứ n
+ ∆φn =
Tổng lượng vật liệu đem rây

(14 – 2)

(với φn: tổng phần khối lượng vật liệu có kích thước lớn hơn lỗ rây Dn)
n

φ n = ∑ ∆φ n

(14 – 3)

1

+ Cuối cùng biểu diễn kích thước bằng một trong hai phương pháp sau:
Bảng 14.3
Số mesh
Dn(mm)
∆φn
−
−
−
−
−
−
4
4,013
∆φ1
6
6
2,844
∆φ2
8

−
−
−
−
−
−
100
0,125
∆φn-2
150
150
0,089
∆φn-1
200
Hộp
∆φn
−

220


Phương pháp vi phân (∆φn) ít được sử dụng vì sai số lớn, không chính xác. Thường là
theo phương pháp tích phân (còn gọi là phương pháp tích luỹ) xem bảng (14.4) dưới đây:
Bảng 14.4
Số mesh
−
−
4
6
8

−
−
100
150
200
Hộp
3.2.

Dn(mm)
−
−
4,699
3,327
2,362
−
−
0,147
0,104
0,074
−

φn
−
−
0
φ1
φ2
−
−
φn- 2

φn- 1
φn
1,00

Dựng đường cong phân bố kích thước hạt

D n −1 + D n
: đường kính trung bình cỡ hạt thứ i trong khối hạt
2
Pi = 1 - φn: phần khối lượng tích luỹ cỡ hạt có kích thước nhỏ hơn Dhi
∆Dhi = Dn-1 - Dn: độ phân tán kích thước của cỡ hạt thứ i
qi; phần khối lượng vật liệu với đường kính trung bình Dhi
xi: phần khối lượng vật liệu của cỡ hạt thứ I trong khối hạt
Giữa các đại lượng này có mối quan hệ:
∆Pi = Pi − Pi −1
∆Pi
qi =
∆D hi
x i = q i .∆D hi
Pi = ∑ q i .∆D hi = ∑ x i

Gọi:

D hi =

i

(14 – 4)
(14 – 5)
(14 – 6)

(14 – 7)

i

Kết quả có được từ số liệu tính toán thống kê vào bảng (14 – 5) dưới đây
Bảng 14. 5
Đường kính
C ỡ hạ t i
∆Dhi
qi
xi
φn
hạt Dhi
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
221

Pi
−
−

Đường kính
∆Dhi
qi
xi
φn
Pi
hạt Dhi
1
Dh1
∆Dh1
q1
x1
φn-1
P1
2
Dh2
∆Dh2
q2
x2
φn-2
P2
….i….
…Dhi
…∆Dhi
…qi
…xi
…φn-i
…Pi

n-3
Dh (n- 3)
----------n–2
Dh (n - 2)
----------n–1
Dh (n- 1)
------φ2
--n
Dhn
∆Dhn
qn
xn
φ1
Pn
Từ kết quả bảng này dựng đồ thị đường cong phân bố kích thước hạt q = f(Dh) và p =
f(Dh), xem hình (H14.2)
Nhận xét
Hàm phân bố kích thước hạt theo phương pháp vi phân thì q (Dhi) là phần khối lượng
(hoặc thể tích) trong khối hạt nằm ở khoảng kích thước giữa Dh và Dh + ∆Dh.
Trong lúc đó hàm phân bố kích thước theo phương pháp tích luỹ thì P (Dhi) là phần
khối lượng (hoặc số lượng hạt) có kích thước nhỏ hơn kích thước thứ i cho trước.

C ỡ hạ t i

222


3.3.

Các phép tính đường kính tương đương của khối hạt.

Trong tính toán, kích thước hạt được thay bằng đường kính tương đương của khối hạt,
có nhiều cách biểu diễn đường kính tương đương khác nhau, có ba trường hợp thông dụng.
• Tính đường kính tương đương theo bề mặt riêng, có công thức
1
(14 - 8)
Dh = n
xi
∑
i =1 D hi
• Tính đường kính tương đương theo khối hạt, có công thức
n x
Dh = ∑ i
i =1 D hi

(14 – 9)

• Tính đường kính tương đương theo hệ Tyler
n ∆φ
i

∑

Dh =

2
i =1 D hi
n ∆φ
i
3

i =1 D hi

(14 – 10)

∑

xi, ∆φi: phần khối lượng cỡ hạt thứ i trong khối hạt
Dhi: đường kính cỡ hạt thứ i trong khối hạt
Ghi chú: trong ba công thức trên thì công thức (14 – 10) có sai số nhỏ nhất
4. TÍNH CHẤT CỦA KHỐI HẠT

Khối hạt có những tính chất đặc biệt như sau:
- Áp suất tác động lên mọi phía trong bồn chứa là không giống nhau
- Áp suất tác động lên khối hạt sẽ truyền đi khắp khối hạt tĩnh
- Mật độ khối hạt thay đổi tuỳ theo độ nén chặt
- Có xu hướng lồng trộn vào nhau làm cho mật độ hạt ở mỗi nơi khác nhau trong
cùng bồn chứa
- Có hai loại khối hạt: kết dính và không kết dính.
4.1.

Các góc đặc trưng của khối hạt

4.1.1. Góc nghiêng tự nhiên α

Là góc tạo bởi khối hạt tĩnh và mặt phẳng nằm ngang, khi góc α càng lớn thì vật liệu
càng khó vận chuyển và ngược lại, giá trị α cho một số khối hạt như sau: với cát biển α =
360; gạo α = 290; đường cát α = 370; lúa mì α = 250; bột giặt α = 120

223

4.1.2. Góc ma sát trong β

Biểu thị sự cân bằng giữa khối hạt đứng yên và khối hạt chuyển động. Cách tạo ra β
như sau: lấy một piston đường kính D vừa dịch chuyển piston chuyển động vừa cho vật liệu
vào trong xilanh, Đến lúc piston không chuyển động được nữa thì ta lập biểu thức
l
tan β = , giá trị β với một số khối hạt như sau: cát biển β = 370; đá vôi, than β = 390; hạt
D
thuỷ tinh β = 250

4.1.3. Góc đổ γ

Là góc tạo bởi bề mặt đứng và mặt phẳng nằm ngang khi một khối hạt trượt lên khối
hạt cố định, dưới tác dụng của trọng lực. Cách tạo ra γ như sau: lấy mặt phẳng đứng 1 nằm
vuông góc với mặt phẳng 2 dồn vật liệu về một phía, bất chợt nhấc bỏ mặt phẳng 1 ra, vật
liệu sẽ đổ xuống tạo góc đổ γ

224


4.1.4. Góc trượt ε

Là góc biểu thị sức dính giữa bề mặt nghiêng với vật liệu. Cách tạo ra ε như sau: lấy
mặt phẳng đặt một góc nghiêng, sau đó đổ vật liệu từ từ lên mặt nghiêng đến lúc tạo một góc
không đổi thì ta có góc trượt ε.

Ứng dụng: dựa vào các góc này để thiết kế các loại đáy bồn chứa hạt sao cho phù hợp,
dễ tháo liệu.
4.2.

Tồn trữ và bảo quản vật liệu rời

Nếu sản phNm không bị ảnh hưởng do thời tiết, khí hậu thì đơn giản nhất là vun đống
lại, phương pháp này rất đơn giản và ít tốn kém. Ngược lại nếu sản phNm chịu ảnh hưởng
bởi thời tiết, khí hậu thì ta phải tồn trữ chúng trong các bồn chứa.
Bồn chứa có thể làm từ những vật liệu khác nhau như: mây, tre, kim loại, gạch, bêtông
v.v… Khi thiết kế bồn chứa nên lưu ý các điểm sau:
- Dễ nhập liệu và tháo liệu nhanh
- Không cần đầu tư lớn
- Vật liệu làm bồn chứa dễ thay thế khi hư hỏng
- Cửa tháo liệu thường ở phía dưới đáy bồn hoặc cạnh đáy bồn
Theo Jamzin áp lực tác động lên đáy bồn là
− 2f .k .z 
R.ρ.g 
P=
1 − e R  : N 2
(14 – 11)
2.f .K 
m


Trong đó
R: bán kính bồn chứa hình trụ; m
ρ: khối lượng riêng xốp khối hạt; kg/m3
f: hệ số ma sát của vật liệu và bồn chứa
K: hệ số áp suất bên trong bồn chứa
g: gia tốc trọng trường; m/s2
z: chiều cao khối hạt chứa trong bồn; m
Theo tác giả khi chiều cao chứa khối hạt z > 3R thì áp suất tác động lên bồn là hằng số.

Do vậy bồn chứa làm càng cao thì càng có lợi về kinh tế.
5. PHƯƠNG PHÁP NHẬP LIỆU

225


Với nguyên vật liệu thuộc dạng lưu chất thì không cần thiết phải có cơ cấu nhập liệu,
còn nguyên vật liệu dạng hạt thì cần phải có cơ chế này, vì nhập liệu tự do thì sẽ làm cho
máy bị nghẹt hoặc vật liệu sẽ không vào máy được. Có các cơ cấu nhập liệu sau đây: băng
tải, vít tải, mâm quay, tay quay, gầu nhập liệu, v.v…
5.1.

Cơ cấu băng tải

Hình H14. 3 mô tả cơ cấu băng tải
Vật liệu đưa lên băng tải tạo một độ dày xác định, khi động cơ quay tang dẫn 4 kéo
băng tải 1 chuyển động đưa khối hạt chuyển từ A đến B vào máy chế biến. Năng suất nhập
liệu được tính bằng công thức sau
kg
(14 – 12)
G = 3600.ϕ.B.H.ρ.v;
h
ϕ = 0,7 ÷ 0,8 hệ số chứa đầy trên mặt băng
B, H: chiều rộng băng và bề dày lớp hạt trên băng; m
ρ: khối lượng riêng xốp của hạt; kg/m3
v = π.D.n; m s , D: đường kính tang dẫn (m) và n: số vòng quay của tang dẫn
(v/giây)
5.2.

Vít tải

Hình (H14. 4) mô tả cơ cấu của vít tải, là loại băng quấn xoắn tạo thành vít vô tận. Các
thông số kỹ thuật gồm
D: đường kính vít; m
d: đường kính trục; m
226


t: bước vít; m
α: góc nghiêng của vít.
Khi quay, cánh vít sẽ chuyển vật liệu đi, đặc biệt cơ cấu này vừa vận chuyển vừa trộn,
vít tải có thể nằm ngang, nghiêng hoặc đứng.
Năng suất vít tải
kg
G = 47.D 2 .t.n.ρ.ϕ. tan α;
(14 – 13)
h
n = (20 ÷ 40): số vòng quay của vít tải; v/phút
ϕ = (0,8 ÷ 1): hệ số chứa đầy
t = (0,5 ÷ 1,5)D; m
ρ: khối lượng riêng xốp; kg/m3
5.3.

Cơ cấu mâm quay

Có cấu tạo đơn giản, hiệu suất cao
Năng suất mâm quay
π.h 2 .n 
h  kg
G = 60.ρ.

R +
; h
tan α 
3 tan α 

ρ: khối lượng riêng xốp của vật liệu; kg/m3
α: góc nghiêng tự nhiên của vật liệu
R: bán kính dưới phễu nhập liệu; m
h: chiều cao phần định lượng; m
Số vòng quay của mâm
f .g
;v/phút
n ≤ 30 2
π .R1

Trong đó:

f: hệ số ma sát giữa vật liệu và mâm
227

(14 – 14)

(14 – 15)


R1: bán kính ngoài của mâm; m
5.4.

Cơ cấu tang quay

Cơ cấu tang quay được dùng nhiều trong ngành chế biến thực phNm để nhập liệu các
nguyên liệu dạng hạt như: đậu nành, gạo, lúa v.v… Hình (14. 6) là cơ cấu tang quay
Năng suất tang quay không cánh G = 3600.ϕ.A.v.ρ; kg
(14 – 16)
h
Năng suất tang quay có cánh G = 3600.A.ℓ.Z.n.ρ; kg
(14 – 17)
h
Trong đó
A: tiết diện ngang của rãnh cánh; m2
D: đường kính tang; m
v = π.D.n với n: số vòng quay của tang; v/s
ρ: khối lượng riêng xốp của khối hạt; kg/m3
ϕ: hệ số chứa đầy (β = 0,8)
ℓ: chiều dài tang quay; m
Z: số cánh trên tang
5.5.

Gàu tải

228


Ứng dụng để vận chuyển và nhập liệu các nguyên liệu dạng hạt (trong ngành thực
phNm) hoặc các vật liệu khác, trong trường hợp vật liệu cần nâng lên một độ cao nhất định.
Hình H14. 7 mô tả gàu tải
Năng suấu gàu tải
V
G = 3,6.ϕ.v.ρ. 1 ; T
(14 – 18)

t1 h
Trong đó

ϕ = (0,5 ÷ 0,95): hệ số chứa đầy
ρ: khối lượng riêng xốp khối hạt; kg/m3
v: vận tốc của băng kéo; m/s
V1: thể tích của một gàu; m3
t1: bước gàu trên băng kéo; m

229


6. BÀI TẬP
Bài 1. Xác định đường kính tương đương của khối hạt D , biết rằng đem 3 kg mẫu sau
khi nghiền cho qua rây Tyler, phân tích cho kết quả bảng dưới đây. Tính theo công thức (14
– 10)

Số mesh

60
80

80
100

100
150

150
200

Khối lượng vật
liệu trên rây (kg)

0,1

0,3

2,5

0,1

Bài giải
Trước hết tra bảng (14 – 2) và xác định phần khối lượng sản phNm trên rây:
Dh (mm)
0,2115
0,161
0,1255
0,089
∆ϕn
0,033
0,1
0,833
0,033
Tiếp theo là đem các giá trị này thế vào công thức (14 – 10)
∆φ
0,033
0,1
0,033
∑ 2

+
+ ... +
D h 2,115 2 0,1612
0,089 2
D=
=
= 0,124mm
0,033
0,1
0,033
∆φ
+
+ ... +
∑ 3
2,1153 0,1613
0,0893
Dh
Đáp số: D = 0,124mm
Bài 2. Xác định kích thước hạt nhập liệu D1 và sản phNm sau khi nghiền D 2 theo số
liệu cho trong bảng sau đây theo công thức (14 – 8)
Số mesh
-6 + 8
-8 + 10
-10 + 14
-14 + 20
-20 + 28
-28 + 35
-35 + 48
-48 + 65
-65 + 100

-100 + 150
-150 + 200

Dh(mm)
2,8445
2,0065
1,4095
1,005
0,7110
0,5030
0,3560
0,2515
0,1775
0,1255
0,0890

x1
0,1130
0,2410
0,2300
0,1860
0,1200
0,0760
0,0340
−
−
−
−
Bài giải

Thế vào công thức (14 – 8) có:

230

x2
−
−
−
0,0980
0,2340
0,2770
0,1490
0,1010
0,0790
0,0220
0,0400


1
= 1,08mm
0,1130 0,2410 0,2300
0,0340
+
+
+ ... +
2,8445 2,0065 1,4095
0,3560
1
D2 =
= 0,348mm

0,0980 0,2340 0,2770
0,0400
+
+
+ ... +
1,0005 0,7110 0,5030
0,0890
Đáp số: D1 = 1,08mm và D 2 = 0,348mm

D1 =

231


7. CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Các tính chất của hạt vật liệu rời?
2. Đặc trưng vật liệu rời là gì?
3. Thế nào là một hệ rây chuNn Tyler?
4. Phương pháp làm bài toán phân tích rây?
5. Nhận dạng đường công phân bố kích thước hạt?
6. Các phép tính đường kính tương đương của khối hạt?
7. Các tính chất của khối hạt?
8. Nêu bốn góc đặc trưng của khối hạt?
9. Nêu phương pháp tồn trữ và bảo quản vật liệu rời?
10. Tại sao phải dùng đến cơ cấu nhập liệu?
11. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động các cơ cấu nhập liệu?

232