bộ công thơng viện máy dụng cụ công nghiệp Báo cáo tổng kết đề tài m số: 193.08 rd/hđ-khcn Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị sản xuất đá vảy công suất 20/24h cho sản xuất bê tông dự lạnh sở sử dụng máy nén kỹ thuật số Cơ quan chủ trì Chủ nhiệm đề tài TS Đỗ Văn Vũ 7827 23/4/2010 hà nội 11/2009 danh sách ngời thực đề tài STT Họ tên Học hàm, học vị, Cơ quan chuyên môn Đỗ Văn Vũ Tiến sỹ kỹ thuật - chuyên ngành Chế tạo máy Viện Máy DCCN Chủ nhiệm đề tài Lê Hồng Sơn Thạc sỹ kỹ thuật - chuyên Viện Máy DCCN ngành Chế tạo máy Phó chủ nhiệm đề tài Nguyễn Hữu Võ Kỹ s Nhiệt lạnh Công ty DIREA Trần Hữu Nam Kỹ s Nhiệt lạnh C«ng ty DIREA Ngun Danh TiÕn Kü s− NhiƯt luyện Viện Máy DCCN Nguyễn Hữu Long Kỹ s Tự động hóa Viện Máy DCCN Phan Anh Dũng Thạc sỹ kỹ thuật - chuyên Viện Máy DCCN ngành Điện tử Trần Nh Hiếu Thạc sỹ kỹ thuật - chuyên Viện Máy DCCN ngành Chế tạo máy Vũ Xuân Trờng Thạc sỹ kỹ thuật - chuyên Viện Máy DCCN ngành Chế tạo máy 10 Hoàng Anh Sơn Kỹ s Chế tạo máy Cty CP XD thiết bị công nghiệp mục lục Lời nói đầu PhÇn i: Thiết bị công nghệ sản xuất bê tông dự lạnh Phần ii: Khảo sát, nghiên cứu, xây dựng cấu hình thiết bị phù hợp 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 Các trạm bê tông dự lạnh sử dụng đá vảy hoạt động nớc Khảo sát máy sản xuất đá vảy hÃng nớc Nguyên lý cấu tạo hoạt động thiết bị sản xuất đá vảy Máy sản xuất đá vảy hÃng NorthStar - Mỹ Máy sản xuất đá vảy hÃng Buus - Đan mạch 10 So sánh, đánh giá xây dựng cấu hình phù hợp với điều kiện Việt nam 11 Phần iii: tính to¸n thiÕt kÕ 12 3.1 Tính toán thiết kế chọn thiết bị lạnh 12 3.1.1 Các thông số đặc tính kỹ thuật yêu cầu 13 3.1.2 Tính toán thiết kế thông số công nghệ 13 3.1.3 TÝnh toán chọn thiết bị công nghệ 21 3.2 TÝnh to¸n thiÕt kÕ chọn thiết bị 30 3.2.1 TÝnh c«ng st quay trơc dao cắt đá .30 3.2.2 Tính toán truyền đai 31 3.2.3 TÝnh to¸n trôc mang dao 33 3.2.4 Tính toán chọn ổ lăn 38 3.2.5 Tính toán truyền bánh côn xoắn 40 3.2.6 B¶n vÏ thiÕt kÕ kü thuËt vµ chi tiÕt .44 3.3 TÝnh to¸n thiết kế chọn thiết bị điện điều khiển 44 3.3.1 Các tín hiệu đầu vào cđa hƯ thèng ®iỊu khiĨn .44 3.3.2 Các tín hiệu đầu hệ thống ®iỊu khiĨn 44 3.3.3 Các chức điều khiển, bảo vệ .45 3.3.4 Mét sè chu tr×nh ®iỊu khiĨn vËn hµnh chÝnh 45 3.3.5 Bản vẽ thiết kế hệ thống điện ®éng lùc vµ ®iỊu khiĨn 46 Phần iv: chế tạo thử nghiệm & hoàn thiện quy trình công nghệ 47 4.1 4.2 4.3 Chế tạo thử nghiÖm .47 Quy trình công nghệ chế tạo chi tiết điển hình 47 Quy trình công nghệ lắp ráp sản phẩm 48 PhÇn v: kÕt luËn kiến nghị 49 Tài liệu THAM khảo 50 phô lôc 52 lêi nói đầu Xây dựng đập nớc cho công trình thuỷ điện, thuỷ lợi khâu chiếm nhiều thời gian có tính định tới độ bền lâu, tính vĩnh cửu công trình Ngày nay, nhằm giảm thời gian xây dựng, đồng thời tăng chất lợng đồng đều, ổn định thân đập, ngành xây dựng thuỷ công đà triển khai áp dụng công nghệ tiên tiến: đổ khối lớn, với thể tích khối lên tới hàng ngàn mét khối, kích thớc khối bê tông theo chiều lên tới từ hàng chục tới hàng trăm mét Để đảm bảo khối bê tông lớn không bị phá huỷ biến dạng mức cho phép ứng suất nhiệt gây nhiệt thuỷ hoá xi măng truyền thoát nhiệt chậm khối bê tông lớn trình đông kết chênh lệch nhiệt độ môi trờng với khối bê tông ngày đêm, theo mùa thi công khác nhau, bên cạnh hàng loạt biện pháp, công nghệ, thiết bị hỗ trợ bảo ôn, thoát nhiệt trình đông kết sau đổ khuôn, thiết kế cấp phối hợp lý (giảm lợng xi măng, dùng xi măng có nhiệt thuỷ hoá thấp, dùng đá cấp phối cỡ lớn ), thiết kế thi công hợp lý (tính toán lớp đổ, khối đổ, thời gian đổ tối u ), sử dụng công nghệ bê tông đầm lăn (Roller Compacted Concrete) thay cho bê tông thờng , giải pháp quan trọng dự lạnh bê tông tới nhiệt độ cần thiết, đủ để bù tới 70% trở lên nhiệt sinh thuỷ hoá xi măng, góp phần định đảm bảo độ chênh nhiệt độ vùng khối bê tông T không 20 0C, mô đun độ chênh nhiệt độ điểm khối bê tông MT không 50 0C/m (theo TCXDVN 305-2004 quy phạm thi công nghiệm thu bê tông khối lớn) Để đảm bảo dự lạnh hàng chục ngàn mét khối hỗn hợp bê tông cho đợt đổ liên tục ca sản xuất, nhà thầu xây dựng phải trang bị hệ thống thiết bị sản xuất bê tông dự lạnh tự động với khối lợng hàng chục tấn, tiêu thụ hàng ngàn kWh điện, chi phí sản xuất chí cao vài lần so với bê tông thờng Trên sở phân tích vừa nêu, rõ ràng việc sử dụng thiết bị tự động sản xuất bê tông dự lạnh với suất lớn (từ 120 m3/h, công suất lạnh từ triệu kcal/h trở lên), thi công đập lớn điều kiện bắt buộc cho nhà thầu xây dựng công trình Phần i: Thiết bị công nghệ sản xuất bê tông dự lạnh Công nghệ sản xuất bê tông dự lạnh giới đà có lịch sử phát triển hàng nửa kỷ, gắn liền với đời hàng loạt công trình thuỷ công, thuỷ điện cỡ lớn: từ công trình sông Mississipi (Bắc Mỹ), Amazon (Nam Mỹ), tới đập thuỷ điện sông Nil (châu Phi), gần đại công trình thuỷ điện Tam HiƯp (Tr−êng Giang, Trung Qc), víi tỉng c«ng st tíi hàng chục ngàn megawatt Để đáp ứng đợc yêu cầu ngày lớn phức tạp sản xuất bê tông lạnh: điều kiện môi trờng khắc nghiệt, quy mô sản xuất nâng cao, chủng loại, cấp phối, vật liệu sản xuất nh công nghệ đổ bê tông thay đổi, ngời ta đà nghiên cứu đa vào thực tiễn sản xuất nhiều phơng pháp, thiết bị công nghệ làm lạnh bê tông Về tổng thể, thiết bị sản xuất bê tông lạnh bao gồm thiết bị trộn bê tông tự động đợc tích hợp hệ thống làm lạnh bê tông Có nhiều cấu hình thiết bị sản xuất bê tông lạnh, nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ quan trọng sản phẩm: nhiệt độ vữa bê tông đo sau trộn, đo vị trí đổ Trên thực tế, tuỳ theo yêu cầu cụ thể nhiệt độ bê tông lạnh, khả đầu t sở sản xuất, ngời ta thiết kế, tích hợp xây dựng hệ thống thiết bị lạnh dùng đá vảy, dùng nớc lạnh, chí làm lạnh cốt liệu thô silô hay băng tải Khái quát, hệ thống làm lạnh bê tông tích hợp vừa nêu đợc phân loại nh sau: - Theo thiết bị: ã Theo chất làm lạnh (coolants): thiết bị dùng nớc lạnh, không khí lạnh, nitơ lỏng, đá khô (CO2 rắn), đá vảy (nớc kết tinh dạng vảy dày 1-3 mm), đá mảnh, đá viên ã Theo đối tợng làm lạnh: làm lạnh vật liệu thành phần (đá, nớc, cát ) trớc trộn, làm lạnh hỗn hợp vữa bê tông sau trình trộn ã Theo trình chuyển vận chất làm lạnh: hệ thống tuần hoàn (kín) hay không tuần hoàn (hở) hay hỗn hợp ã Theo cấu trúc hệ thống: mô đun lạnh chế tạo sẵn (ready-made) với hệ thống sản xuất bê tông lạnh tiêu chuẩn, đợc xây dựng (customized) theo toán cụ thể, đặc thù khách hàng - Theo yêu cầu sản phẩm: ã Theo dạng công nghệ bê tông làm đập nớc: dùng cho bê tông đầm rung thờng (Conventional Vibrated Concrete - CVC), dùng cho bê tông đầm lăn (Rolling Compacted Concrete - RCC) hai Trên thực tế, trạm dùng cho sản xuất bê tông đầm lăn phù hợp cho sản xuất bê tông thờng ã Theo nhiệt độ bê tông lạnh yêu cầu: bê tông lạnh sâu (dới 15 0C), lạnh vừa (16-22 0C) lạnh nông (22-25 0C), nhằm đáp ứng công nghệ vận chuyển hỗn hợp bê tông tới khối đổ (xe, băng tải ), nh điều kiện thời tiết: bình thờng (nhiệt độ môi trờng trung bình 20-30 0C), khắc nghiệt (nhiệt độ môi trờng trung bình 31-35 0C) khắc nghiệt (nhiệt độ môi trờng trung bình 35 0C) Trên thực tế, tuỳ theo yêu cầu độ lạnh dạng bê tông, ngời ta ứng dụng đơn lẻ hay phối hợp vài loại chất làm lạnh, tác động riêng rẽ hay đồng thời lên đối tợng khác nhau: vật liệu thành phần hay hỗn hợp hay hai Việc sử dụng thiết bị có sẵn cho phép giảm thời gian giá thành đầu t ban đầu, nhng thờng không hoàn toàn tối u, dẫn tới tăng chi phí khai thác, tăng suất chi phí lợng ảnh hởng môi trờng nhiều Vai trò quan trọng công nghệ làm lạnh vật liệu xây dựng dạng rời, bê tông vữa, chất làm lạnh Các yêu cầu chất làm lạnh, chất trực tiếp tiếp xúc tải lạnh cho vật liệu cần làm lạnh, đa dạng chặt chẽ: tính chất nhiệt cao (nhiƯt dung, Èn nhiƯt chun pha, ®é dÉn nhiƯt ), tính công nghệ cao (sạch, không tác động xấu tới môi trờng chất đợc làm lạnh, dễ tách khỏi chất đợc làm lạnh), kinh tế (rẻ, hiệu suất trao đổi nhiệt cao) Cho tới nay, chất làm lạnh chủ yếu đợc nghiên cứu đa vào sử dụng rộng rÃi nớc không khí, nớc dạng nớc lạnh đá vảy, để làm lạnh vật liệu xây dựng, vữa bê tông Với chất làm lạnh này, thờng có khả sử dụng trình tuần hoàn, giảm đợc chi phí lợng nguyên liệu Một chất làm lạnh nitơ lỏng, đà đợc đa vào thử nghiệm Các hệ thống lạnh dùng cho làm lạnh bê tông đòi hỏi công suất lớn hàng triệu kilocalorie trở lên, làm việc liên tục điều kiện khắc nghiệt môi trờng Cho tới đà có hớng xây dựng thiết bị nh sau: ã Sử dụng trực tiếp hệ thống lạnh sẵn có thị trờng máy lạnh dùng cho chế biến sản xuất hải sản, thực phẩm, hoá chất, dợc phẩm Các hệ thống làm lạnh bê tông theo kiểu tích hợp đơn giản thờng có hiệu suất thấp (trên dới 50%), độ bền ổn định không cao, ngời ta không chế tạo công suất lớn: trạm không 80 m3/h, độ lạnh nông, làm lạnh đơn Trên thi trờng có nhiều hÃng cung cấp thiết bị tiêu chuÈn, nh− Grasso (Italia), Carrier (USA), Daikin (NhËt B¶n), Fusheng (Taiwan) ã Nghiên cứu xây dựng hệ thống thiết bị chuyên dụng cho làm lạnh bê tông Theo hớng sau, ngời ta đà cung cấp hệ thống lạnh có hiệu suất nhiệt cao nhiều, mối quan tâm số ngời khai thác Việc tăng chi phí đầu t cho hệ nh đợc bù lại nhờ lợi khác nữa: độ bền ổn định cao môi trờng xây dựng khắc nghiệt, phù hợp với công nghệ bê tông tạo cho thuận lợi nhiều mặt cho ngời dùng Ta kể công ty hàng đầu giới đà theo hớng này: HANSA Industrieanlagen GmbH, KTI Plersch Kaltertechnik GmbH (CHLB Đức) Đây hớng thiết bị có chất lợng tuổi bền cao nhất, nhng giá thành cao gấp nhiều lần so với hớng ban đầu ã Ngoài hai hớng nh đà nêu, vùng phát triển nh châu á, Nam Mỹ ngời ta thờng xây dựng thiết bị tích hợp hệ thống sở chọn lựa số thiết bị lạnh chuyên dùng làm lạnh bê tông với thiết bị phụ trợ đợc thiết kế chế tạo chỗ, nhằm có đợc u điểm chất lợng thiết bị chính, đồng thời giảm chi phí đầu t ban đầu Chỗ dựa thiết bị phần công nghệ làm lạnh bê tông cho sở phát triển nhiều hÃng sản xuất thiết bị lạnh công nghiệp có mặt khắp nơi nh North Star Ice (USA), Scotsman (Italia), Snowkey (China), ReFriend (China), Trung tâm Nghiên cứu Thiết bị Công nghệ Bê tông Thợng Hải (China) chuyên thiết bị chế tạo đá vảy, thiết bị làm lạnh nớc không khí (chiller) ã Trong hệ thống làm lạnh vật liệu xây dựng nh vữa bê tông, bên cạnh thiết bị cung cấp chất làm lạnh (chiller, máy đá vảy, ), nhóm thiết bị trao đổi nhiệt (làm lạnh đá trớc trộn bê tông), thiết bị phụ trợ (vận chuyển, dự trữ, cân định lợng nớc lạnh đá vảy, ) có vai trò định tới hiệu suất nhiệt chung hệ thống Do vậy, mảng đầu t nghiên cứu phát triển mạnh hÃng chế tạo thiết bị lạnh cho công nghiệp bê tông, nhằm tạo thiết bị chất lợng, hiệu suất cao Phần ii: Khảo sát, nghiên cứu, xây dựng cấu hình thiết bị phù hợp 2.1 Các trạm bê tông dự lạnh sử dụng đá vảy hoạt động nớc 2.1.1 Các hệ thống sản xuất bê tông dự lạnh công suất trung bình 250 m3/h Phân viện IMI thành phố Hồ Chí Minh kÕt hỵp víi North Star Ice thiÕt kÕ chÕ tạo năm 2007-2008, vào hoạt động công trờng thuỷ điện Sông Tranh Đồng Nai ã Dạng bê tông dự lạnh: RCC ã Nhiệt độ dự lạnh: 19 0C ã Phơng pháp thiết bị dự lạnh: làm lạnh hỗn hợp bê tông cấp phối nớc lạnh 0C đá vảy nhiệt độ -5 0C ã Nguồn lạnh: thiết bị sản xuất đá vảy hÃng NorthStar, tổng công suất lạnh 120 đá vảy ngày đêm ( 81 cho Đồng Nai 3), chiller công nghiệp hÃng Mitsubishi dùng cho cấp nớc lạnh cho cấp phối bê tông làm đá vảy 2.1.2 Hệ thống sản xuất bê tông dự lạnh công suất trung bình 250 m3/h Liên danh Liebherr-Hansa (CHLB Đức) thiết kế chế tạo cung cấp lắp đặt công trình thuỷ điện Sê San năm 2004, hoạt động công trình thuỷ điện Bản Vẽ ã Dạng bê tông dự lạnh: RCC CVC ã Nhiệt độ dự lạnh: 15 0C ã Phơng pháp thiết bị dự lạnh: làm lạnh cốt liệu thô phễu, đồng thời làm lạnh hỗn hợp bê tông cấp phối nớc lạnh 0C đá vảy nhiệt độ -5 0C ã Nguồn lạnh: thiết bị sản xuất đá vảy hÃng Scotsman (cắt đá kiểu dao quay), công suất 120 đá vảy ngày đêm, hệ thống chiller hÃng Grasso (GEA), tổng công suất lạnh 800 m3 nớc lạnh 0C Các thiết bị lạnh đợc Hansa tổ hợp thành mô đun hoàn chỉnh cho sản xuất đá vảy (CFPX), sản xuất nớc lạnh (CWPS) 2.1.3 Hệ thống sản xuất bê tông dự lạnh công suất lớn 720 m3/h Liên danh Liebherr-Hansa (CHLB Đức) thiết kế chế tạo cung cấp lắp đặt công trình thuỷ điện Sơn la năm 2007: ã Dạng bê tông dự lạnh: RCC CVC ã Nhiệt độ dự lạnh: 180C ã Phơng pháp thiết bị dự lạnh: làm lạnh cốt liệu thô phễu liệu phối hợp đồng thời làm lạnh hỗn hợp bê tông cấp phối nớc lạnh 40C, có đá vảy nhiệt độ -50C dùng cho dự phòng ã Nguồn lạnh: Hệ thống chiller hÃng Grasso (GEA), tổng công suất lạnh 1000 m3 nớc lạnh 40C giờ, thiết bị sản xuất đá vảy hÃng Scotsman (cắt đá kiểu dao quay) công suất 40 đá vảy ngày đêm thiết bị lạnh đợc Hansa tổ hợp thành mô đun hoàn chỉnh cho sản xuất nớc lạnh (CWPS), sản xuất đá vảy (CFPX) 2.2 Khảo sát hệ thống thiết bị sản xuất đá vảy hÃng nớc 2.2.1 Nguyên lý cấu tạo hoạt động thiết bị sản xuất đá vảy 1./ Đá vảy (tiếng Anh: flake ice): tên dạng đá băng đợc tạo thiết bị sản xuất đá vảy Đợc kết tinh từ nớc nớc biển, đá vảy có kích thớc dạng nhỏ (vảy), chiều dày vào khoảng 1,5 tới 2,5 mm, chiều dài rộng khoảng 10 đến 50 mm, nhiệt độ khoảng -5 đến -100C Đá vảy đợc sử dụng nhiều ngành công nghiệp thực phẩm, dợc phẩm, thuỷ sản, xây dựngDo nhiệt nóng chảy lớn, lại mỏng, tan chảy nhanh, nên đá vảy ngày đợc a dùng để sản xuất bê tông dự lạnh, nhằm thay phần cấp phối nớc trộn bê tông mà không ảnh hởng tới thời gian sản xuất tính chất hỗn hợp bê tông 2./ Cấu tạo chung thiết bị sản xuất đá vảy: nh thiết bị lạnh khác, gồm hai cụm chính: cụm máy nén-ngng tụ (cao áp) cụm tạo đá vảy (hạ áp) Cụm cao áp bao gồm thiết bị nh máy nén lạnh, thờng loại có dải nhiệt độ làm việc thấp (tõ -200C trë xng), hƯ sè nÐn cao, dµn ng−ng, bình chứa dịch lạnh, thiết bị mạch dầu (tách, sấy, làm mát) Cụm hạ áp bao gồm thiết bị bay hơi-tạo/tách đá, bình hạ áp, hệ thống cấp dịch/tách lỏng (nh bơm, bình tràn dịch-tách lỏng) Ngoài ra, thiết bị phụ nh van điều khiển, công tác, thiết bị đo lờng (nhiệt độ, áp suất, lu lợng, mức dịch/dầu ), panen/tủ điều khiển 3./ Đặc điểm nguyên lý hoạt động thiết bị sản xuất đá vảy: - Chu trình lạnh: dạng ngập lỏng, nhằm đạt hiệu suất lạnh cao, nhiệt độ sản phẩm đồng đủ thấp - Quá trình tạo đá vảy: liên tục (khác với số dạng sản xuất đá cây, đá viên, đá tấm/ống mảnh theo chu kỳ) - Nguyên lý tạo/tách đá thiết bị bay (hình 1): dịch lạnh lỏng đợc cấp bay áp suất đủ thấp, tơng ứng nhiệt độ bay khoảng -280C đến -320C, theo nguyên lý ngập lỏng thiết bị bay dạng tang trống trụ (từ gọi cối đá vảy, cấu tạo đứng nằm) Nớc đợc phun liên tục chảy mặt (hoặc mặt trong) cối vùng cấp nớc, đợc làm lạnh kết tinh nhanh sau thời gian vài chục giây thành lớp đá băng mỏng Lớp đá băng đợc làm khô lạnh tới nhiệt độ -5 đến -100C góc lạnh đá, sau đợc dao cắt tách khỏi bề mặt cối Để đảm bảo đá thu đợc không bị ớt, bị tăng nhiệt độ, phía sau vị trí cắt tách đá vùng cách ly, không đợc cấp nớc Để đảm bảo đá đơc sản xuất liên tục, có nhiệt độ độ dày theo yêu cầu, cần trì tốc độ chuyển động tơng đối mặt trống tạo đá với cụm phun cấp nớc dao thu hoạch đá, đồng thêi cho phÐp hiƯu chØnh tèc ®é ®ã, cịng nh− độ rộng vùng cấp nớc, góc lạnh, góc cách ly, lu lợng nớc cấp phân bổ lu lợng toàn mặt tang trống tạo đá vảy Đá đợc tách khỏi bề mặt cối có chiều dày 1,5-2,5mm tuỳ theo thời gian làm đá (tức tốc độ chuyển động dao/cối), dạng mảnh nhỏ, đợc chuyển tới nơi tiêu thụ kho trữ chuyên dụng nhờ vít tải, máng hứng Tang trống tạo đá (cối đá) cố định Chiều chuyển động dao, dàn phun cấp nớc Vị trí dao cắt đá Hình Mô tả nguyên lý tạo đá vảy 2.2.2 Máy sản xuất đá vảy hÃng NorthStar - Mỹ NorthStar hÃng chuyên sản xuất thiết bị sản xuất, tồn trữ cung cấp đá vảy hàng đầu Mỹ giới HÃng cung cấp thiết bị hoàn chỉnh (cả cụm cao áp cụm hạ áp) riêng phần hạ áp (cối đá vảy), với dải công st tõ MT/24h tíi 60 MT/24h, cho phÐp sư dụng với R22 amoniac, nớc công nghiệp nớc biển Những đặc điểm cối đá vảy NorthStar cối cố định, dao dàn phun cấp nớc chuyển động, kết cấu dao cắt tách đá dạng cã b−íc 258 ... thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị sản xuất đá vảy suất 20tấn/24h, sở để nhóm thực đề tài tiếp tục nghiên cứu triển khai thiết kế hệ thống thiết bị sản xuất đá vảy có suất lớn nh loại thiết bị. .. trạm bê tông dự lạnh sử dụng đá vảy hoạt động nớc Khảo sát máy sản xuất đá vảy hÃng nớc Nguyên lý cấu tạo hoạt động thiết bị sản xuất đá vảy Máy sản xuất đá vảy hÃng NorthStar - Mỹ Máy. .. sát hệ thống thiết bị sản xuất đá vảy hÃng nớc 2.2.1 Nguyên lý cấu tạo hoạt động thiết bị sản xuất đá vảy 1./ Đá vảy (tiếng Anh: flake ice): tên dạng đá băng đợc tạo thiết bị sản xuất đá vảy