CHƯƠNG 14 HẠT VÀ KHỐI HẠT Các vật liệu sản phNm thể rắn tồn dạng hạt gọi vật liệu hạt rời Nhiều hạt rời gộp lại gọi khối hạt TÍNH CHẤT - Tính có khối lượng riêng: gồm khối lượng riêng thể tích kg/m3) độ xốp xác ρ định ε = − v ; kg/m3 ρr N - Tính có tỉ trọng; m3 - Độ cứng: biểu thị khả chống lại q trình gia cơng - Tính dòn: vật liệu dòn dễ vỡ, vật liệu nhuyễn độ cứng tăng - Tính trơn: biểu thị ma sát vật liệu với vật liệu, thùng chứa với vật liệu - Tính Nm: độ Nm > 50% vật liệu khó lưu chuyển, độ Nm nhỏ hiệu suất nghiền cao - Tính lượng bề mặt: biểu diễn theo đơn vị erg/cm2, chất rắn có bề mặt cứng lượng bề mặt lớn Ví dụ, kim cương có lượng bề mặt 9000erg/cm2, muối biển 155erg/cm2 - Lực tĩnh điện: lực làm cho hạt liên kết lại với làm khó lưu chuyển, hạt phi kim loại mang điện tích dương, hạt kim loại mang điện tích âm ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU RỜI Có hai đại lượng đặc trưng kích thước hạt hình dạng hạt - Hình dạng hạt: ký hiệu λ Là tỉ số diện tích bề mặt hạt với thể tích hạt đó, xem bảng (14.1) hình dạng số hạt thơng 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 1,2 1,4 1,5 3,6 216 - Kích thước hạt Đặc trưng 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 phương pháp đo kích thước hạt: + Với hạt lớn 5mm ⇒ Đo dụng cụ học + Với hạt từ (0,5 ÷ 5)mm ⇒ Đo microscope + Với hạt nhỏ 0,5mm ⇒ Đo kích thước trung bình đường kính lỗ rây liên tiếp hệ rây tiêu chuNn Tyler - Trong hệ rây Tyler, thuật ngữ Mesh biểu thị số lỗ danh nghĩa chiều dài 1inch (1inch = 25,4mm) Bảng (14.2) bảng hệ rây chuNn Tyler + Rây Mesh nghĩa 1inch có lỗ kích thước lỗ xác định  1inch  − 0,065 inch  = 0,185inch = 4,699mm    + Rây 10 Mesh nghĩa 1inch có 10 lỗ, kích thước lỗ xác định  1inch  − 0,035 inch  = 0,065inch = 1,651mm   10  + Hệ rây chuNn gồm dãy rây kích thước chồng lên từ lỗ lớn xuống lỗ nhỏ, kích thước lỗ theo cấp số nhân hệ số 0,185 = 0,131inch + Muốn tính lỗ khít tính theo cấp số nhân hệ số 0,185 Ví dụ: lỗ mesh 0,185 inch lỗ mesh = 0,156 inch Bảng 14.2 Hệ rây chuNn Tyler Khoảng cách hai rây = , cho hệ rây khít Khoảng cách chuNn = Đường kính sợi , lỗ rây, inch Lỗ rây, inch Lỗ rây, mm Số mesh inch Ví dụ lỗ mesh 0,185 inch lỗ mesh 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 = , 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 = , cho hệ rây khít 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 0.070 0.221 5.617 3.5 0.065 0.185 4.699 0.065 0.156 3.951 0.044 0.131 3.327 0.036 0.110 2.798 0.0326 0.093 2.362 0.032 0.078 1.986 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 = , lỗ rây, inch 0.0058 0.0041 0.0029 0.0021 0.0015 Khoảng cách hai rây = , cho hệ rây khít 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 mặt rây Ví dụ: Vật liệu lọt qua rây 100 mesh bị giữ rây 150 mesh viết (− 100 + 150 ) 100 0,147 + 0,104 xác định kích thước cỡ hạt D h = = 0,1255mm 150 Vật liệu lọt qua rây mesh bị giữ lại rây mesh viết (− + ) 4,699 + 3,327 xác định kích thước cỡ hạt D h = = 4,013 mm • Bộ rây đầy đủ rây gồm mặt rây mesh, rây 200 mesh, hộp chứa sản phNm sau rây, tất đặt giá rung động Xem hình (14 – 1) biểu diễn hệ rây Tyler 219 PHƯƠNG PHÁP LÀM BÀI TỐN PHÂN TÍCH RÂY 3.1 Trình tự thí nghiệm - Trước hết rây phải thổi khí nén - Thứ tự xếp rây lỗ lớn trên, lỗ nhỏ dưới, hộp đựng - Cân lượng vật liệu cần phân tích đổ vào rây - Kích hoạt động chạy bắt đầu rây - Sau rây thời gian, lấy lượng bột mịn hộp - Cho sàng tiếp, lặp lại nhiều lần lúc hộp khơng thấy bột mịn q trình rây kết thúc - Đem cân lượng vật liệu bị giữ lại mặt rây trình bày theo hai bảng 14 bảng 14.4 Ta gọi: + Dn: đường kính lỗ rây thứ n từ lỗ lớn đến lỗ nhỏ Lượng vật liệu bi giữ rây thứ n + ∆φn = Tổng lượng vật liệu đem rây (14 – 2) (với φn: tổng phần khối lượng vật liệu có kích thước lớn lỗ rây Dn) n φ n = ∑ ∆φ n (14 – 3) + Cuối biểu diễn kích thước hai phương pháp sau: Bảng 14.3 Số mesh Dn(mm) ∆φn − − − − − − 4,013 ∆φ1 6 2,844 ∆φ2 − − − − − − 100 0,125 ∆φn-2 150 150 0,089 ∆φn-1 200 Hộp ∆φn − 220 Phương pháp vi phân (∆φn) sử dụng sai số lớn, khơng xác Thường theo phương pháp tích phân (còn gọi phương pháp tích luỹ) xem bảng (14.4) đây: Bảng 14.4 Số mesh − − − − 100 150 200 Hộp 3.2 Dn(mm) − − 4,699 3,327 2,362 − − 0,147 0,104 0,074 − φn − − φ1 φ2 − − φn- φn- φn 1,00 Dựng đường cong phân bố kích thước hạt D n −1 + D n : đường kính trung bình cỡ hạt thứ i khối hạt Pi = - φn: phần khối lượng tích luỹ cỡ hạt có kích thước nhỏ Dhi ∆Dhi = Dn-1 - Dn: độ phân tán kích thước cỡ hạt thứ i qi; phần khối lượng vật liệu với đường kính trung bình Dhi xi: phần khối lượng vật liệu cỡ hạt thứ I khối hạt Giữa đại lượng 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 có từ số liệu tính tốn thống kê vào bảng (14 – 5) Bảng 14 Đường kính C ỡ hạ t i ∆Dhi qi xi φn hạt Dhi − − − − − − − − − − − − 221 Pi − − Đường kính ∆Dhi qi xi φn Pi hạt Dhi Dh1 ∆Dh1 q1 x1 φn-1 P1 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 bảng dựng đồ thị đường cong phân bố kích thước hạt q = f(Dh) p = f(Dh), xem hình (H14.2) Nhận xét Hàm phân bố kích thước hạt theo phương pháp vi phân q (Dhi) phần khối lượng (hoặc thể tích) khối hạt nằm khoảng kích thước Dh Dh + ∆Dh Trong lúc hàm phân bố kích thước theo phương pháp tích luỹ P (Dhi) phần khối lượng (hoặc số lượng hạt) có kích thước nhỏ kích thước thứ i cho trước C ỡ hạ t i 222 3.3 Các phép tính đường kính tương đương khối hạt Trong tính tốn, kích thước hạt thay đường kính tương đương khối hạt, có nhiều cách biểu diễn đường kính tương đương khác nhau, có ba trường hợp thơng dụng • Tính đường kính tương đương theo bề mặt riêng, có cơng thức (14 - 8) Dh = n xi ∑ i =1 D hi • Tính đường kính tương đương theo khối hạt, có cơng thức n x Dh = ∑ i i =1 D hi (14 – 9) • Tính đường kính tương đương theo hệ Tyler n ∆φ i ∑ Dh = i =1 D hi n ∆φ i i =1 D hi (14 – 10) ∑ xi, ∆φi: phần khối lượng cỡ hạt thứ i khối hạt Dhi: đường kính cỡ hạt thứ i khối hạt Ghi chú: ba cơng thức cơng thức (14 – 10) có sai số nhỏ TÍNH CHẤT CỦA KHỐI HẠT Khối hạt có tính chất đặc biệt sau: - Áp suất tác động lên phía bồn chứa khơng giống - Áp suất tác động lên khối hạt truyền khắp khối hạt tĩnh - Mật độ khối hạt thay đổi tuỳ theo độ nén chặt - Có xu hướng lồng trộn vào làm cho mật độ hạt nơi khác bồn chứa - Có hai loại khối hạt: kết dính khơng kết dính 4.1 Các góc đặc trưng khối hạt 4.1.1 Góc nghiêng tự nhiên α Là góc tạo khối hạt tĩnh mặt phẳng nằm ngang, góc α lớn vật liệu khó vận chuyển ngược lại, giá trị α cho số khối hạt 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 β Biểu thị cân khối hạt đứng n khối hạt chuyển động Cách tạo β sau: lấy piston đường kính D vừa dịch chuyển piston chuyển động vừa cho vật liệu vào xilanh, Đến lúc piston khơng chuyển động ta lập biểu thức l tan β = , giá trị β với số khối hạt sau: cát biển β = 370; đá vơi, than β = 390; hạt D thuỷ tinh β = 250 4.1.3 Góc đổ γ Là góc tạo bề mặt đứng mặt phẳng nằm ngang khối hạt trượt lên khối hạt cố định, tác dụng trọng lực Cách tạo γ sau: lấy mặt phẳng đứng nằm vng góc với mặt phẳng dồn vật liệu phía, nhấc bỏ mặt phẳng ra, vật liệu đổ xuống tạo góc đổ γ 224 4.1.4 Góc trượt ε Là góc biểu thị sức dính bề mặt nghiêng với vật liệu Cách tạo ε sau: lấy mặt phẳng đặt góc nghiêng, sau đổ vật liệu từ từ lên mặt nghiêng đến lúc tạo góc khơng đổi ta có góc trượt ε Ứng dụng: dựa vào góc để thiết kế loại đáy bồn chứa hạt cho phù hợp, dễ tháo liệu 4.2 Tồn trữ bảo quản vật liệu rời Nếu sản phNm khơng bị ảnh hưởng thời tiết, khí hậu đơn giản vun đống lại, phương pháp đơn giản tốn Ngược lại sản phNm chịu ảnh hưởng thời tiết, khí hậu ta phải tồn trữ chúng bồn chứa Bồn chứa làm từ vật liệu khác như: mây, tre, kim loại, gạch, bêtơng v.v… Khi thiết kế bồn chứa nên lưu ý điểm sau: - Dễ nhập liệu tháo liệu nhanh - Khơng cần đầu tư lớn - Vật liệu làm bồn chứa dễ thay hư hỏng - Cửa tháo liệu thường phía đáy bồn cạnh đáy bồn Theo Jamzin áp lực tác động lên đáy bồn − 2f k z  R.ρ.g  P= − e R  : N (14 – 11) 2.f K  m   Trong R: bán kính bồn chứa hình trụ; m ρ: khối lượng riêng xốp khối hạt; kg/m3 f: hệ số ma sát vật liệu bồn chứa K: hệ số áp suất bên bồn chứa g: gia tốc trọng trường; m/s2 z: chiều cao khối hạt chứa bồn; m Theo tác giả chiều cao chứa khối hạt z > 3R áp suất tác động lên bồn số Do bồn chứa làm cao có lợi kinh tế PHƯƠNG PHÁP NHẬP LIỆU 225 Với ngun vật liệu thuộc dạng lưu chất khơng cần thiết phải có cấu nhập liệu, ngun vật liệu dạng hạt cần phải có chế này, nhập liệu tự làm cho máy bị nghẹt vật liệu khơng vào máy Có 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 mơ tả cấu băng tải Vật liệu đưa lên băng tải tạo độ dày xác định, động quay tang dẫn kéo băng tải chuyển động đưa khối hạt chuyển từ A đến B vào máy chế biến Năng suất nhập liệu tính cơng thức sau kg (14 – 12) G = 3600.ϕ.B.H.ρ.v; h ϕ = 0,7 ÷ 0,8 hệ số chứa đầy mặt băng B, H: chiều rộng băng bề dày lớp hạt băng; m ρ: khối lượng riêng xốp hạt; kg/m3 v = π.D.n; m s , D: đường kính tang dẫn (m) n: số vòng quay tang dẫn (v/giây) 5.2 Vít tải Hình (H14 4) mơ tả cấu vít tải, loại băng quấn xoắn tạo thành vít vơ tận Các thơng số kỹ thuật gồm D: đường kính vít; m d: đường kính trục; m 226 t: bước vít; m α: góc nghiêng vít Khi quay, cánh vít chuyển vật liệu đi, đặc biệt cấu vừa vận chuyển vừa trộn, vít tải nằm ngang, nghiêng đứng Năng suất vít tải kg G = 47.D t.n.ρ.ϕ tan α; (14 – 13) h n = (20 ÷ 40): số vòng quay 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 n  h  kg G = 60.ρ R + ; h tan α  tan α  ρ: khối lượng riêng xốp vật liệu; kg/m3 α: góc nghiêng tự nhiên vật liệu R: bán kính phễu nhập liệu; m h: chiều cao phần định lượng; m Số vòng quay mâm f g ;v/phút n ≤ 30 π R1 Trong đó: f: hệ số ma sát vật liệu mâm 227 (14 – 14) (14 – 15) R1: bán kính ngồi mâm; m 5.4 Cơ cấu tang quay Cơ cấu tang quay dùng nhiều ngành chế biến thực phNm để nhập liệu ngun liệu dạng hạt như: đậu nành, gạo, lúa v.v… Hình (14 6) cấu tang quay Năng suất tang quay khơng 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 A: tiết diện ngang rãnh cánh; m2 D: đường kính tang; m v = π.D.n với n: số vòng quay tang; v/s ρ: khối lượng riêng xốp khối hạt; kg/m3 ϕ: hệ số chứa đầy (β = 0,8) ℓ: chiều dài tang quay; m Z: số cánh tang 5.5 Gàu tải 228 Ứng dụng để vận chuyển nhập liệu ngun liệu dạng hạt (trong ngành thực phNm) vật liệu khác, trường hợp vật liệu cần nâng lên độ cao định Hình H14 mơ tả gàu tải Năng suấu gàu tải V G = 3,6.ϕ.v.ρ ; T (14 – 18) t1 h Trong ϕ = (0,5 ÷ 0,95): hệ số chứa đầy ρ: khối lượng riêng xốp khối hạt; kg/m3 v: vận tốc băng kéo; m/s V1: thể tích gàu; m3 t1: bước gàu băng kéo; m 229 BÀI TẬP Bài Xác định đường kính tương đương khối hạt D , biết đem kg mẫu sau nghiền cho qua rây Tyler, phân tích cho kết bảng Tính theo cơng thức (14 – 10) Số mesh 60 80 80 100 100 150 150 200 Khối lượng vật liệu rây (kg) 0,1 0,3 2,5 0,1 Bài giải Trước hết tra bảng (14 – 2) xác định phần khối lượng sản phNm rây: Dh (mm) 0,2115 0,161 0,1255 0,089 ∆ϕn 0,033 0,1 0,833 0,033 Tiếp theo đem giá trị vào cơng thức (14 – 10) ∆φ 0,033 0,1 0,033 ∑ + + + D h 2,115 0,1612 0,089 D= = = 0,124mm 0,033 0,1 0,033 ∆φ + + + ∑ 2,1153 0,1613 0,0893 Dh Đáp số: D = 0,124mm Bài Xác định kích thước hạt nhập liệu D1 sản phNm sau nghiền D theo số liệu cho bảng sau theo cơng thức (14 – 8) Số mesh -6 + -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 cơng thức (14 – 8) có: 230 x2 − − − 0,0980 0,2340 0,2770 0,1490 0,1010 0,0790 0,0220 0,0400 = 1,08mm 0,1130 0,2410 0,2300 0,0340 + + + + 2,8445 2,0065 1,4095 0,3560 D2 = = 0,348mm 0,0980 0,2340 0,2770 0,0400 + + + + 1,0005 0,7110 0,5030 0,0890 Đáp số: D1 = 1,08mm D = 0,348mm D1 = 231 CÂU HỎI ƠN TẬP Các tính chất hạt vật liệu rời? Đặc trưng vật liệu rời gì? Thế hệ rây chuNn Tyler? Phương pháp làm tốn phân tích rây? Nhận dạng đường cơng phân bố kích thước hạt? Các phép tính đường kính tương đương khối hạt? Các tính chất khối hạt? Nêu bốn góc đặc trưng khối hạt? Nêu phương pháp tồn trữ bảo quản vật liệu rời? 10 Tại phải dùng đến cấu nhập liệu? 11 Cấu tạo ngun lý hoạt động cấu nhập liệu? 232 ... i ∆D hi Pi = ∑ q i ∆D hi = ∑ x i Gọi: D hi = i (14 – 4) (14 – 5) (14 – 6) (14 – 7) i Kết có từ số liệu tính tốn thống kê vào bảng (14 – 5) Bảng 14 Đường kính C ỡ hạ t i ∆Dhi qi xi φn hạt Dhi −... tích luỹ) xem bảng (14. 4) đây: Bảng 14. 4 Số mesh − − − − 100 150 200 Hộp 3.2 Dn(mm) − − 4,699 3,327 2,362 − − 0 ,147 0,104 0,074 − φn − − φ1 φ2 − − φn- φn- φn 1,00 Dựng đường cong phân bố kích thước... 227 (14 – 14) (14 – 15) R1: bán kính ngồi mâm; m 5.4 Cơ cấu tang quay Cơ cấu tang quay dùng nhiều ngành chế biến thực phNm để nhập liệu ngun liệu dạng hạt như: đậu nành, gạo, lúa v.v… Hình (14