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

TÍNH CƠ KHÍ KHI THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY
TRONG QUY TÌNH SẢN XUẤT PHÂN LÂN
NUNG CHẢY
3.1. Tính bề dày thùng.

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

Khối lượng riêng:
ρ = 7850 kg/m3.
Hệ số dẫn nhiệt (ở 20-100oC)
λ = 50 W/m.K.
Giới hạn bền kéo:
σk = 380 N/mm2.
Giới hạn bền chảy:
σc = 240 N/mm2.(phụ thuộc chiều dày tấm thép)

Thùng dạng hình trụ nằm ngang, chế tạo bằng phương pháp hàn, làm việc ở áp suất
khí quyển.
Chọn phương pháp hàn tay hồ quang điện, hàn giáp mối hai bên.
Theo

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

Hệ số điều chỉnh, theo

: η = 0,9 (thiết bị loại II, bị đốt nóng trực tiếp

bằng khói lò).
Theo

,

và

 Hệ số an toàn bền kéo: nk = 2,6
 Hệ số an toàn bền chảy: nc = 1,5



Tính áp lực do vật liệu tác dụng lên thùng:

, ta có hệ số an toàn:


Do thùng quay với tốc độ chậm nên có thể tính áp lực vật liệu tác dụng lên thành
thùng tối đa bằng trọng lượng khối vật liệu tác dụng lên thành thùng lúc đứng yên tại vị
trí thấp nhất của thùng.
Hệ số điền đầy β = 0,25 => diện tích phần vật liệu trên tiết diện thùng:
Fvl = FT – Ftd = 3,80 – 2,85 = 0,95 (m3)
Theo phương pháp hình học ta có:

Giải phương trình ta được: α = 66,16o.
Chiều cao chứa đầy vật liệu trong thùng:
h = R(1- cosα) = 1100.(1 – cos 66,16o) = 655,40 (mm) = 0,6654 (m).
Vậy tại điểm A, vật liệu tác dụng lên thành thùng một lực:

Thùng quay chậm nên có thể coi áp lực tác dụng lên thành thùng bằng áp lực tại
điểm thấp nhất trên mặt cắt thùng:
P = 0,981.105 + 16073,69 = 114173,69 (N/m2)
Bề dày tối thiểu thùng tính theo

:

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

Các hệ số bổ sung kích thước:


d

c
 Ca: Hệ số bổ sung

b

do ăn mòn hóa
học. Vật liệu sấy
phân

lân

nung

chảy,

hầu

như

là
Hình 3.1: Kích thước cánh đảo trộn.

không ăn mòn, do đó chọn Ca = 0.
 Cb: Hệ số bổ sung do bào mòn cơ học. Do vật liệu có dạng hạt nên chọn C b
= 1mm.
 Cc: Hệ số bổ sung do sai lệch chế tạo, lắp ráp.
Theo

, chọn Cc = 0,8mm (t).

 Co: Hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, chọn Co = 4,9mm.
 C = Ca + Cb + Cc + Co = 0 + 1 + 0,8 +4,9 = 6,7 (mm)
Bề dày thực của thùng: S = 1,3 + 6,7 = 8 (mm).

3.2. Tính cánh đảo trộn.

Một số thông số cánh đảo trộn đã được chọn ở phần tính toán thùng sấy.
Diện tích bề mặt chứa vật liệu của cánh:

Chọn các kích thước:
a = 280mm.
b = 120mm.

Chọn c = 1,5m; chiều dày d = 4mm.
Vật liệu chế tạo cánh là thép CT3, số cánh trên một mặt cắt: 12 cánh.


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

Khối lượng các cánh trong thùng:

3.3. Tính bộ truyền động.

 Chọn động cơ
Công suất cần để quay thùng (theo

):

Trong đó:
DT = 2,2m: Đường kính thùng.
LT = 11m: Chiều dài thùng.
a: Hệ số phụ thuộc dạng cánh. Theo bảng
n = 1,8vg/ph: số vòng quay thùng.
ρ = 2500kg/m3: khối lượng riêng vật liệu.

Theo

chọn hiệu suất bộ truyền:

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

 Bộ truyền bánh răng trụ răng kín: 0,98.
 Bộ truyền trục vít:
0,90.
 Ba cặp ổ lăn:
0,993.
 Hiệu suất bộ truyền: η = 0,95 . 0,98 . 0,90 . 0,993 = 0,81.
Công suất tối thiểu động cơ:

có a = 0,071.


Theo

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

 Công suất động cơ: Nđc = 75kW.
 Tốc độ quay:
nđc = 734v/ph.
 Hiệu suất:
η = 0,92.
 Chọn tỉ số truyền động
Tỉ số truyền động chung của hệ thống:

Thùng

i23

Do tỉ số truyền lớn nên cần dùng bộ giảm
tốc. Ở đây ta dùng hộp giảm tốc trục vít – bánh
vít.

i12

Chọn tỉ số truyền:
i12 = 5
i23 = 6
Tỉ số truyền động cơ sang trục vít:

Động cơ

Hình 3.2: Hộp giảm tốc.

Số vòng quay các trục:
Công suất ở các ổ trục:

Ta có bảng kết quả:
Bảng 3.1: Thông số cơ bản hộp giảm tốc.

Trục động cơ
i
24,5
n (v/ph) 734
N (kW) 69

I

II
6

29,96

61,48

III
5

5
59,65

1
56,10


 Tính bộ truyền bánh răng
Ở đây ta chỉ tính bộ truyền bánh răng truyền động từ hộp giảm tốc sang bánh răng
lớn lắp trên thùng. Đây là sự chuyển động giữa hai trục song song, ta chọn bánh răng trụ
răng thẳng, truyền động ăn khớp ngoài.
o Chọn vật liệu
Chọn vật liệu có độ rắn HB ≤ 350, cắt gọt sau nhiệt luyện, không đòi hỏi
qua các nguyên công đắt tiền như mài... Bánh răng có khả năng chạy mòn tốt.
Để tránh hiện tượng dính bề mặt làm việc của răng, lấy độ rắn bánh răng
nhỏ lớn hơn bánh răng lớn từ 30-50HB, chọn mác thép 2 bánh khác nhau:
Bánh răng lớn:
 Vật liệu:
Thép C35 thường hóa.
 Độ rắn:
HB = 160.
 Giới hạn bền kéo: σk = 480N/mm2.
 Giới hạn bền chảy: σc = 240N/mm2.
Bánh răng nhỏ:
 Vật liệu:

Thép C45 thường hóa.
 Độ rắn:
HB = 190.
 Giới hạn bền kéo: σk = 580N/mm2.
 Giới hạn bền chảy: σc = 290N/mm2.
o Xác định ứng suất uốn cho phép
Đối với răng làm việc một mặt:

Trong đó:
σ-1: Giới hạn mỏi uốn.
Thép C45: σ-1 = 0,45 . 580 = 261 (N/mm2).
Thép C35: σ-1 = 0,45 . 480 = 216 (N/mm2).
n: Hệ số an toàn. Đối với bánh răng thép rèn thường hóa.
Chọn n = 1,5.
kv: Hệ số tập trung ứng suất ở chân răng.
Với bánh răng thép thường hóa, chọn kv = 1,8.
Ứng suất uốn cho phép:
 Bánh răng nhỏ:

 Bánh răng lớn:


o Chọn hệ số tải trọng
K = 1,3 ÷ 1,5.
Do bộ truyền có khả năng chạy mòn, vận tốc thấp nên chọn K = 1,3.
o Xác định khoảng cách trục, modun, chiều rộng răng.
Chọn sơ bộ khoảng cách trục: A = 1500(mm).
Modun bánh răng (theo

): m = (0,01 ÷ 0,02)A = 15 ÷ 30

(mm).
Chọn m = 20mm. Bánh răng thẳng, góc nghiêng của răng: β = 0.
Số răng bánh nhỏ (theo

):

Chọn Z1 = 25 răng.
Số răng bánh lớn (theo

):

Chọn Z2 = 125 răng.
Tính lại khoảng cách trục (theo

):

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

chọn Ψm = 0,3.

 b = 0,3 . 1500 = 450 (mm).
 Chọn b = 450mm.
Chiều rộng bánh răng lớn: b’ = b – 10 = 450 – 10 = 440 (mm).
o Kiểm nghiệm độ bền uốn
Momen xoắn trên trục bánh răng nhỏ:


Điều kiện bền uốn (theo

và

):

Trong đó:

Răng trụ răng thẳng, góc nghiêng β = 0; Yβ = 1.

 YF1, YF2: Hệ số dạng răng. Tra

với hệ số dịch chỉnh

x = 0 (số răng >21): YF1 = 4,0; YF2 = 3,6.
 K: Hệ số tải trọng khi tính về uốn. K = 1,1
 dl1: Đường kính vòng lăn bánh răng Chú
nhỏ: thích
d : Đường kính vòng lăn
dl1 = m . Z1 = 20 . 25 = 500 (mm) l
de : Đường kính vòng đỉnh

de

di : Đường kính vòng chân

di
dl

Vậy cả hai bánh răng đảm bảo điều kiện bền uốn.
o Các thông số hình học

Hình 3.3: Thông số cơ bản bánh răng

Góc ăn khớp α = 20o.
Các thông số hình học bánh răng vòng gắn trên thùng sấy và bánh răng nhỏ gắn với
hộp giảm tốc được liệt kê trong bảng dưới đây:
Bảng 3.2: Thông số hình học bánh răng vòng và bánh răng nhỏ.

STT
1
2
3

Thông số
Modun
Số răng
Đường kính vòng lăn

Ký hiệu
m (mm)
Z (răng)
dl (mm)

4

Khoảng cách trục

A (mm)

5
6
7
8
9

Chiều rộng bánh răng
Đường kính vòng đỉnh
Đường kính vòng chân
Chiều cao đầu răng
Chiều cao răng

b (mm)
de (mm)
di (mm)
hd (mm)
H (mm)

Công thức tính Bánh nhỏ

Bánh lớn
20

dl = m.Z

25
500

125
2500

1500

Ψ.A
dl + 2.m
dl – 2,5m
hd = m
H = 2,25m

450
540
450

440
2540
2450
20
45

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


3.4. Tính vành đai, kiểm tra bền thùng.

 Tính sơ bộ.
Thùng có tải trọng lớn, quay chậm và nhiệt độ làm việc cao nên chọn lắp vành đai
tự do vào thân thùng dùng chân đế. Giữa chân đế và thùng có tấm tăng cứng dày 520mm. Giữa chân đế và mặt trong vành đai có đặt các tấm hạn chế va đập bằng thép

mỏng.
Chọn sơ bộ đường kính vành đai
(theo Tr.249[3]):
Dv = (1,1 ÷ 1,2)Dt
Trong đó:
Dv: Đường kính trong vành đai
Dt: Đường kính ngoài thùng.
 Dv = (1,1 ÷ 1,2) . (2200+8.2)
= (2437 ÷ 2659) (mm).
Chọn Dv = 2440mm.
Chọn sơ bộ bề rộng vành đai (vòng
ngoài): B = 200mm.
Thùng nặng, bề dày vành đai được

1

2

3
4
5

Hình 3.4: Kết cấu lắp chân đế - vành đai.
1: Chân đế. 2: Vành đai. 3: Các tấm căn.
4: Tấm tăng cứng. 5: Thân thùng.

tính theo Tr.250[3]:

Chọn h = 80mm.
Đường kính ngoài vành đai:

Dnv = 2440 + 80 . 2 = 2600 (mm)
Chọn sơ bộ góc vát đầu đai: β1 = 8o.
Coi vành đai hình vành khăn, vật liệu chế tạo là thép CT35, khối lượng vành đai:
Chọn sơ bộ khối lượng chân đế và các tấm tăng cứng, tấm căn: 4kg/bộ.
Mỗi đai được lắp trên 12 chân đế, thùng lắp 2 đai.
Khối lượng tổng cộng 2 đai và chân đế:
MD = 2 (994,4 + 12 . 4) = 2084,8 (kg)
 Kiểm tra bền vành đai


Khi thùng quay làm việc, trọng lượng các cánh đảo trộn, lượng vật liệu trong thùng
xem như tải trọng phân bố đều. Trọng lượng bánh răng vòng, vành đai là các tải trọng tập
trung, nhưng để tiện ta cũng xem chúng như tải trọng phân bố đều.
Tổng trọng lượng thùng là:
Với GT, GC, GV, GD, GR lần lượt là trọng lượng thùng, trọng lượng cánh, vật liệu,
đai, và bánh răng vòng tính theo N.
Trọng lượng thùng:

Trọng lượng vật liệu:

Tải trọng tác dụng lên 2 vành đai:

Tải trọng trên mỗi vành đai là:

Chọn góc giữa 2 con
lăn là 60o. Góc giữa lực tác
dụng lên con lăn và phương
1

thẳng đứng là 30o.

60o

2
3

Lực tác dụng lên con
lăn (theo

4
Hình 3.5: Vành đai
1: Thành thùng. 2: Vành đai. 3: Chân đế. 4: Con lăn đỡ.

):

Mô men uốn: Mu = A.Q.R (N.cm)


Trong đó:
Q: Tải trọng thùng tác dụng lên đai, N. Q = T.
R: Bán kính trong vành đai, cm. R = 122cm.
A: Hệ số phụ thuộc kiểu lắp. Vành đai lắp tự do trên chân đế, A = 0,08.


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

Vành đai thép C35 có ứng suất cho phép [σ] = 14600 (N/cm 2)
Mômen chống uốn:

Mặt khác:

Vậy chiều dày vành đai 80mm là đủ bền. Với điều kiện trên thì ta có thể giảm độ
dày đai. Tuy nhiên vành đai còn có nhiệm vụ giữ thùng khi tiếp xúc với con lăn chặn nên
không được mỏng quá, ta giữ nguyên kích thước.
 Kiểm tra bền thùng.
Lực phân bố trên một đơn vị chiều dài thùng (

):

L

Do tác dụng của lực phân
bố, mô men uốn có giá trị
lớn nhất ở ba vị trí: hai vị

l

trí đỡ và giữa thân thùng.

M3
M1

M2

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


Giá trị mômen uốn ở hai vị trí đỡ (theo

Mômen uốn ở giữa thùng (theo

):

):

Để thân thùng làm việc đồng đều, ta chọn khoảng cách giữa hai vị trí đỡ l sao cho
M1,2 = M3. Rút ra l = 0,586L. Mômen uốn lớn nhất (theo

Mômen xoắn sinh ra khi thùng quay (theo

):

):

Trong đó:
N: công suất tiêu hao, kW.
n: Số vòng quay của thùng, v/ph.


Mômen tính toán khi thùng chịu uốn và chịu xoắn (theo

Mômen chống uốn của tiết diện thân thùng (theo

):

):


Ứng suất sinh ra trên thùng (theo

):

σ < [σ] với [σ] = 146 N/mm2, là ứng suất cho phép vật liệu làm thành thùng. Vậy
thùng đảm bảo bền.
3.5. Tính con lăn đỡ, con lăn chặn.

a. Con lăn đỡ.
 Tính đường kính con lăn đỡ.
Bề rộng con lăn đỡ (theo

): Bc = B + (3 ÷ 5) (cm)

Chọn Bc = B + 5 = 20 + 5 = 25 (cm).
Chọn sơ bộ đường kính:
Sử dụng con lăn thép, đường kính được tính theo

:

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

Với D là đường kính ngoài thùng.
 0,25 . 260 ≤ dc ≤ 0,33 . 260 (cm)
 65 ≤ dc ≤ 85,8 (cm)
Chọn dc = 65 (cm).
 Kiểm tra bền con lăn đỡ.

:

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

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

):

Trong đó:
P: Tải trọng trên một đơn vị chiều dài tiếp xúc, N/cm
E: Mômen đàn hồi của vật liệu, N/cm 2. E = 2,1.107(N/cm2).

(trang 95,

Tiêu chuẩn thiết kế thép TCVN 338:2005)

R: Bán kính ngoài vành dai, cm. R = 130cm.
r : Bán kính ngoài con lăn, cm. r = 32,5cm.


Điều kiện bền (theo

):

Vậy con lăn đỡ làm từ thép CT5 đảm bảo bền.
b. Con lăn chặn
Lực tác dụng lớn nhất lên con lăn chặn (theo

):

Trong đó:
Q: Tải trọng toàn thùng.

α : Góc nghiêng thùng, độ. α = 2,5o.
f : Hệ số ma sát giữa vành đai và con lăn chặn, thường lấy 0,1.

Con lăn chặn chặn sát vào vành đai. Chọn sơ bộ độ dày con lăn chặn: B ch=60mm

 chiều dài tiếp xúc là 60mm = 6cm.
Tải trọng trên một đơn vị chiều dài tiếp xúc:


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

):

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

Chọn bán kính con lăn chặn r = 15cm, theo đó con lăn chặn đủ bền.
3.6. Tính chọn lớp bảo ôn

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

, mật độ dòng nhiệt truyền qua tường phẳng nhiều lớp:

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

Với:
α1: Hệ số tỏa nhiệt từ môi trường đến bề mặt vách. Trong thùng không khí
được đảo trộn nên xét như trường hợp đối lưu cưỡng bức. Theo tài liệu


[8], α1=(10..200) (W/m2K). Chọn α1 = 30W/m2K (thùng quay chậm, khả
năng đảo trộn thấp).
α2: Hệ số tỏa nhiệt từ thành thiết bị ra ngoài môi trường.
Theo tài liệu [8], α2=(5..25) (W/m2K). Chọn α2 = 10W/m2K.
δi: Bề dày lớp thứ i.
λi: Hệ số dẫn nhiệt lớp thứ i.
Chọn vật liệu cách nhiệt là bông khoáng Rockwool do có khả năng chống cháy cao,
cách nhiệt tốt và có thể chịu nhiệt độ tới 850 oC. Theo tài liệu [7], hệ số dẫn nhiệt lớp bảo
ôn λ2 = 0,036 W/m.oC.
Như phần tính bề dày thùng đã liệt kê, hệ số dẫn nhiệt thép tấm sử dụng làm thân
thùng λ1 = 50 W/m.oC.
Như phần tính công nghệ, lượng nhiệt tỏa ra môi trường q mt = 145,89 (kJ/kg ẩm).
Mỗi giờ thiết bị thất thoát lượng nhiệt là:
q = qmt.W = 146,89 . 2258,06 = 331686,4 (kJ/h) = 92,1 (kW)
Coi 80% lượng nhiệt thất thoát là qua thành thiết bị, 20% do tổn thất tại bộ phận bít
kín. Mật độ dòng nhiệt truyền qua thành thiết bị là:

Với S là diện tích toàn bộ thành thiết bị.
S = d.π.L = 2,2 . 3,14 . 11 = 76 (m2)

Từ

, ta có:

 δ2 = 0,014 (m)


Vậy chiều dày lớp bảo ôn tối thiểu là dbo = 14mm.
Chọn chiều dày lớp bảo ôn theo kích thước bán trên thị trường dbo = 25mm.
3.7. Tính chọn các thiết bị phụ trợ

Tính chọn thiết bị lọc bụi
Chọn thiết bị lọc dạng xyclon vì có khả năng xử lý bụi khá nhỏ, cấu tạo đơn giản và
giá thành thấp. Tốc độ khí vào xyclon là 15 ÷ 20m/s, ở cửa ra là 5 ÷ 8m/s (theo Tr.98
[16]).
Theo tính toán ở phần Tính công nghệ, lưu lượng thể tích của tác nhân sấy ở trạng
thái ra khỏi thùng sấy V2 = 4,648m3/s = 16732,8m3/h.
Theo bảng 1 phụ lục 4 Tr.207[16], chọn nhóm 4 xyclon loại đường kính 650mm.