LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ THIẾT BỊ XỬ LÝ CHẤT LỎNG SIÊU ÂM HOÀN LƯU
|
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ |
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc |
|
Số: ____ /ĐHBK-CK |
|
|
Bộ môn: Thiết bị và công nghệ vật liệu cơ khí |
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP |
|
|||||||||
|
|
|||||||||||
|
|
|
||||||||||
|
|
HỌ VÀ TÊN: |
|
MSSV: |
|
|
||||||
|
|
NGÀNH: |
Kỹ thuật chế tạo |
LỚP: |
CK12VL |
|
||||||
|
|
|
||||||||||
|
1. |
Đầu đề luận văn: Thiết Kế Thiết Bị Xử Lý Chất Lỏng Siêu Âm Hoàn Lưu |
|
|||||||||
|
2. |
Nhiệm vụ: |
|
|||||||||
|
- |
Tìm hiểu về sóng siêu âm và các ứng dụng của nó trong công nghiệp |
|
|||||||||
|
- |
Khảo sát tình hình nghiên cứu việc xử lý chất lỏng bằng sóng siêu âm |
|
|||||||||
|
- |
Khảo sát và lựa chọn phương án thiết kế |
|
|||||||||
|
- |
Số bản vẽ dự kiến: |
5 |
, gồm: |
|
|||||||
|
+ |
1 bản vẽ A0, về: |
|
|
||||||||
|
+ |
1 bản vẽ A0, về: |
|
|
||||||||
|
+ |
1 bản vẽ A0, về: |
|
|
||||||||
|
3. |
Ngày giao nhiệm vụ luận văn: |
06/02/2017 |
|
||||||||
|
4. |
Ngày hoàn thành nhiệm vụ: |
29/5/2017 |
|
||||||||
|
5. |
Họ và tên người hướng dẫn:
|
Phần hướng dẫn: |
|
||||||||
|
- |
Nguyễn Thanh Hải |
, BM TB&CNVL cơ khí |
100% |
|
|||||||
|
|
|
||||||||||
|
Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ môn. |
|
||||||||||
|
|
|||||||||||
|
Ngày tháng năm |
|
|
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Ký và ghi rõ họ tên) |
NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký và ghi rõ họ tên) |
MỤC LỤC
1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.. 1
1.1. Tổng quan về sóng siêu âm.. 1
1.1.1. Định nghĩa về sóng siêu âm.. 1
1.1.2. Đặc điểm và tính chất của sóng siêu âm.. 2
1.1.3. Ứng dụng của sóng siêu âm.. 2
1.2. Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài3
1.2.1. Tính cấp thiết của đề tài3
1.2.2. Mục tiêu của đề tài8
1.2.3. Nội dung của đề tài8
1.3. Tổng quan hệ thống siêu âm.. 8
1.4. Quy cách hệ thống xử lý chất lỏng bằng siêu âm:8
1.5. Đặc tính hệ thống xử lý chất lỏng bằng siêu âm:9
1.6. Yếu tố ảnh hưởng đến độ bền sản phẩm:9
1.7. Khái niệm, cơ chế hoạt động của quá trình:10
1.7.1. Giải thích về cơ chế 1 cách cơ bản:10
1.7.2. Hiện tượng xâm khí thực. 11
1.7.3. Hiện tượng vi xoáy:12
1.7.4. Hiện tượng vỡ bóng. 12
1.7.5. Hiện tượng từ giảo:14
1.8. Các công ty làm ra sản phẩm và bán trên thị trường:15
1.9. Bảng SWOT đánh giá:22
2. CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CHẤT LỎNG SIÊU ÂM.. 24
2.1. Nguồn phát siêu âm (Generator)24
2.2. Bộ chuyển đổi (Tranducer)25
2.3. Bộ khuếch đại (Booster)27
2.4. Đầu rung (Horn)28
2.5. Buồng chứa chất lỏng xử lý (Reactor Chamber)29
2.6. Vấn đề tiếng ồn trong xử lý siêu âm.. 31
2.6.1. Khuyến cáo về mức độ ô nhiễm tiếng ồn trong quá trình xử lý. 31
2.6.2. Các phương pháp xử lý tiếng ồn cho hệ thống siêu âm.. 32
3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ CHẤT LỎNG BẰNG SIÊU ÂM.. 34
3.1. Thiết kế chân gá :35
3.2. Thiết kế đầu rung (horn) :36
3.3. Thiết kế bộ khuếch (Booster):37
3.4. Thiết kế buồng chứa dung dịch phản ứng (Reactor Chamber):39
3.5. Lựa chọn van nối nhanh AKS phi 12mm.. 40
3.6. Thiết kế lựa chọn ống dẫn dung dịch:41
3.7. Thiết kế lựa chọn bơm dung dịch:42
3.8. Thiết kế hệ thống khuấy dung dịch:44
3.8.1. Thiết kế trục khuấy:45
3.8.2. Thiết kế cánh quạt khuấy dung dịch:45
3.9. Thiết kế hệ thống làm nguội:47
4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THÔNG SỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG XỬ LÝ CHẤT LỎNG BẰNG SIÊU ÂM.. 52
4.1. Tính toán lưu lượng motor bơm:52
4.2. Tính toán thông số motor trộn:53
4.3. Tính toán lực chân giá :54
4.4. Tính toán lực kẹp:55
4.5. Phần điều khiển hệ thống :57
4.5.1. Nguyên lý bộ cộng hưởng điện:57
4.5.2. Thiết kế bộ cộng hưởng điện:59
4.5.3. Biến áp nguồn :63
4.5.4. Mạch điện điều khiển. 63
5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 66
5.1. Thực tiễn nghiên cứu và an toàn thực phẩm:66
5.1.1. Thực tiễn nghiên cứu:66
5.1.2. Vấn đề an toàn thực phẩm trong siêu âm:67
5.2. Kết luận luận văn đã giải quyết được các vấn đề sau:67
5.3. Kiến nghị:67
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Các khoảng tần số sóng siêu âm.. 1
Hình 1.2. Ứng dụng siêu âm trong xử lý dung dịch. 4
Hình 1.3. Kích thước hạt Nano. 5
Hình 1.4. Biểu đồ thể hiện kích thước hạt Nano. 5
Hình 1.5. Trích ly tinh dầu bằng sử dụng sóng siêu âm cường độ cao. 6
Hình 1.6. Sơ đồ hệ thống siêu âm.. 8
Hình 1.7. Mô hình thiết bị xử lý chất lỏng siêu âm.. 9
Hình 1.8. Giải thích cơ chế hình thành Cavitation. 10
Hình 1.9. Sự tăng trưởng kích thích của các lỗ hỏng trong chất lỏng. 11
Hình 1.10. Quá trình hình thành, phát triển của bọt khí12
Hình 1.11. Hiện tượng vỡ bóng. 13
Hình 1.12. Mô tả hiện tượng từ giảo. 14
Hình 1.13. Mô hình thiết bị xử lý chất lỏng siêu âm của công ty Roop Telsonic Ultrasonix. 15
Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý thiết bị xử lý chất lỏng siêu âm của công ty Roop Telsonic Ultrasonix. 16
Hình 1.15. Thiết bị xử lý chất lỏng siêu âm của công ty Roop Telsonic Ultrasonix trong quá trình trộn mực. 16
Hình 1.16. Mô hình thiết bị xử lý chất lỏng siêu âm của công ty Sonicator17
Hình 1.17. Sơ đồ nguyên lý thiết bị xử lý chất lỏng siêu âm của công ty Sonicator18
Hình 1.18. Hình dáng các mẫu Horn trong thiết bị xử lý công ty Sonicator19
Hình 1.19. Mô hình thiết bị Bsp1200 Ultrasonic Liquid Processor của công ty Sonomechanics. 20
Hình 1.20. Sơ đồ nguyên lý thiết bị Bsp1200 Ultrasonic Liquid Processor của công ty Sonomechanics. 21
Hình 1.21. Hướng dẫn lắp đặt hệ thống Bsp1200 Ultrasonic Liquid Processor21
Hình 1.22. Sơ đồ minh họa phân tích SWOT………………………………................22
Hình 2.1. Nguồn sóng siêu âm.. 25
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi25
Hình 2.3. Vật liệu cấu thành bộ chuyển đổi26
Hình 2.4 .Các bộ chuyển đổi tương ứng với các tần số khác nhau. 26
Hình 2.5. Sự khuếch đại biên độ của Booster trong hệ thống siêu âm.. 27
Hình 2.6. Vị trí lắp booster trong hệ thống siêu âm.. 27
Hình 2.7. Vị trí làm việc đầu rung (Horn)28
Hình 2.8. Một số đầu rung (Horn) trong xử lý chất lỏng. 28
Hình 2.9. Phương pháp chiếu xạ siêu âm.. 29
Hình 2.10. Một số phương án hệ thống xử lý có sẵn trên thị trường. 30
Hình 2.11. Hình ảnh buồng chứa chất lỏng xử lý (Reactor Chamber)31
Hình 2.12. Thùng cách âm cho hệ thống. 33
Hình 2.13. Tai nghe khử tiếng ồn. 33
Hình 3.1. Tổng quan hệ thống xử lý chất lỏng bằng siêu âm.. 34
Hình 3.2. Sơ đồ khối hệ thống xử lý siêu âm hoàn lưu. 35
Hình 3.3. Thiết ké chân gá. 36
Hình 3.4. Đầu rung (horn) thiết kế. 37
Hình 3.5. Booster thiết kế. 38
Hình 3.6. Lắp đặt Tranducer Booster Horn. 38
Hình 3.7. Hình ảnh Reactor Chamber được kết nối với Horn qua mặt bích. 39
Hình 3.8. Thiết kế buồng chứa dung dịch (Reactor Chamber)39
Hình 3.9. Van nối nhanh AKS. 40
Hình 3.10. Thiết kế van nối nhanh ASK trong hệ thống. 40
Hình 3.11. Chọn ống dây làm bằng vật liệu composite. 42
Hình 3.12. Bơm dung dịch Mini43
Hình 3.13. Tổng quan hệ thống khuấy dung dịch. 44
Hình 3.14. Động cơ khuấy. 44
Hình 3.15. Thiết kế cánh quạt trong hệ thống khuấy. 46
Hình 3.16. Hệ thống khuấy dung dịch. 46
Hình 3.17. Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát47
Hình 3.18. Tốc độ quạt ảnh hưởng đến khả năng giải nhiệt Radiator48
Hình 3.19. Lá tản nhiệt cho hệ thống (Radiator)49
Hình 3.20. Hình ảnh két nước bao ngoài buồng chứa dung dịch(Water block)50
Hình 3.21. Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát của hệ thống siêu âm.. 51
Hình 4.1. Phần thể tích Horn chiếm chỗ. 52
Hình 4.2. Số liệu đo được trên trục chân gá hệ thống. 54
Hình 4.3. Sơ đồ tính ứng suất trên ống trụ đỡ. 55
Hình 4.4. Số liệu đo được trên tay kẹp hệ thống. 56
Hình 4.5. Đường cong cộng hưởng đoạn RLC nối tiếp. 57
Hình 4.6. Mạch nối tiếp RLC nối tiếp có C thay đổi57
Hình 4.7. Các phương pháp thiết kế bộ cộng hưởng điện. 59
Hình 4.8. Quá trình EMA.. 61
Hình 4.9. Xác định toạ độ trên tấm mỏng [3]61
Hình 4.10. Sơ đồ xác định dao động. 62
Hình 4.11. Vòng lặp tính FFT. 63
Hình 4.12. Bộ chuyển đổi điện xoay chiều. 63
Hình 4.13. Sơ đồ mạch điện điều khiển. 64
Hình 4.14. Sơ đồ chân của công-tắc-tơ. 65
Hình 4.15. Sơ đồ chân của timer65
Hình 5.1. Thiết bị siêu âm xử lý rượu. 66
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Phân loại ứng dụng siêu âm trong xử lý dung dịch. 4
Bảng 1.2. Bảng SWOT phân tích về sản phẩm.. 23
Bảng 2.1. Mức áp suất âm tại các vị trí lao động. 32
Bảng 3.1. Thông số đầu vào của thiết bị xử lý. 34
Bảng 3.2. Thông số motor bơm dung dịch. 43
Bảng 4.1. Các giá trị G cho trộn nhanh. 53
Bảng 4.2. Công suất motor có sẵn trên thị trường và số vòng quay tương ứng. 54
1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về sóng siêu âm
1.1.1. Định nghĩa về sóng siêu âm
Siêu âm là sự di chuyển của các sóng cơ học được tạo bởi năng lượng sóng âm truyền qua chất khí, lỏng hoặc rắn ở tần số trên 20 kHz. Tần số âm 20 kHz là ngưỡng trên của giới hạn nghe được ở con người.
Các thông số của quá trình siêu âm:
Tần số (Frequency, Hz): là số dao động phần tử thực hiện được trong 1 giây (Hz).
Biên độ (Amplitude): biểu thị mức độ thay đổi áp suất (so với áp suất cân bằng của môi trường) trong quá trình dao động.
Cường độ (Intensity, W/m2): là năng lượng mà sóng siêu âm truyền trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm. Công thức tính I = P/S trong đó P là công suất của nguồn âm (W), S là diện tích miền truyền âm (m2).
Mức cường độ âm (Sound pressure level, B): là đại lượng được tính bởi công thức: L = lg(I/I0). Trong đó I là cường độ âm tại điểm cần tính, I0 là cường độ âm chuẩn (âm ứng với tần số f = 1000 Hz) có giá trị là: 10-12 W/m2.
Hình 1.1 Các khoảng tần số sóng siêu âm
Con người có thể nghe được sóng âm có tần số từ 16 Hz đến 20 kHz. Sóng siêu âm là tên gọi của những sóng có tần số cao hơn 20 kHz. Giới hạn trên của tần số sóng siêu âm thường là 5 MHz đối với chất khí và 500 MHz đối với chất lỏng hay chất rắn. Trong phạm vi ứng dụng, sóng siêu âm được chia ra thành sóng siêu âm tần số thấp, biên độ lớn (20kHz-100kHz) và sóng siêu âm tần số cao, biên độ nhỏ (2MHz-5MHz) (Kuldiloke J., 2002).
Sử dụng sóng siêu âm năng lượng cao trong công nghệ xử lý chất lỏng siêu âm ngày càng được nghiên cứu mở rộng. Phần lớn các nghiên cứu đều áp dụng tần số sóng trong khoảng từ 20 kHz đến 40 kHz (Povey M.I.W. and Mason T.J, 1998).
1.1.2. Đặc điểm và tính chất của sóng siêu âm
Sóng siêu âm là sóng dọc, tức là dao động cùng chiều với chiều lan truyền của sóng. Siêu âm chỉ lan truyền trong môi trường giãn nở (không thể lan truyền trong chân không). Sóng âm tạo nên một sức ép làm thay đổi áp lực môi trường. Tại một vị trí nào đó trong môi trường, ở nửa chu kỳ đầu của sóng áp lực tại đó tăng. Trong nửa chu kỳ sau, áp lực lại giảm gây ra hiệu ứng cơ học của siêu âm.
Tốc độ lan truyền của sóng siêu âm phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ môi trường truyền âm, không phụ thuộc vào tần số. Tốc độ truyền âm trong không khí là rất thấp khoảng 342 m/s, nước 1500 m/s và thép 5000 m/s.
1.1.3. Ứng dụng của sóng siêu âm
Siêu âm là một lĩnh vực phát triển đã từ rất lâu, đa số ứng dụng trong công tác truyền thông ở môi trường không khí hoặc môi trường nước. Sự di chuyển của các sóng cơ học trong môi trường truyền với tần số lớn hơn ngưỡng nghe của tai người được gọi là siêu âm. Tùy thuộc vào công suất phát, tần số phát mà siêu âm được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau như dược phẩm, mỹ phẩm, thực phẩm, mực in, sơn, gỗ, kim loại, vật liệu nano, lọc nước thải, khai thác dầu thực vật, nước giải khát tiệt trùng, sản xuất nhiên liệu sinh học, dầu thô, phá vỡ các tế bào, xử lí chất lỏng.
Từ những năm 1960, nhiều thuyết công nghệ được tạo ra nhằm ứng dụng siêu âm năng lượng cao như hàn nhựa và kim loại, làm sạch bề mặt hay cắt và đã chứng minh được việc tăng năng suất trong một số quá trình hiện tại như hàn, cắt, rửa sạch bằng phương pháp truyền thống.
Mặc dù phương pháp này có rất nhiều ưu điểm đã được biết đến như giảm lực, giảm ma sát, gia nhiệt cục bộ, tăng tốc độ quá trình. Tuy nhiên công nghệ này vẫn chưa được ứng dụng phổ biến.
Trong lĩnh vực máy điện, công nghiệp ô tô, vải sợi, hàn và tán đinh bằng công nghệ siêu âm cho các vật liệu dẻo đã phát hiện ra được những ứng dụng rất rộng rãi. Theo từng lĩnh vực ứng dụng, các máy hàn siêu âm được sử dụng với các tần số khác nhau.
Trong y tế, cường độ siêu âm thấp khoảng 1 MHz được áp dụng rộng rãi kể từ thập niên 1950 cho vật lý trị liệu trong viêm gân và viêm bao hoạt dịch. Trong thập niên 1980, sóng biên độ áp lực cao (high – pressure – amplitude shock waves) bắt đầu được dùng tán sỏi thận (lithotrisy) nhanh chóng thay cho phẫu thuật và điều trị.
Dụng cụ sử dụng siêu âm để thăm dò dưới biển thông dụng hiện nay là Sonar hoạt động theo nguyên tắc của rađa. Sonar gồm một máy đặt ở mặt ngoài của đáy tàu, máy này phát một chùm siêu âm hẹp, gặp đáy biển hoặc một đàn cá, một xác tàu đắm. Sóng âm phản xạ và rọi vào máy thu (đôi khi chính là máy phát, hoạt động luân phiên theo hai chế độ), được khuếch đại rồi tác động vào một máy tự động chuyển khoảng thời gian ∆t từ lúc phát sóng tới lúc thu sóng phản xạ thành khoảng cách từ tàu tới vật phản xạ sóng. Do đó sonar có thể dùng để phát hiện tàu ngầm, các vật trôi dạt, các đàn cá, thăm dò và lập bản đồ độ sâu của đáy biển.
1.2. Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài
1.2.1. Tính cấp thiết của đề tài
Gần đây, báo chí và các phương tiện truyền thông đại chúng đang rầm rộ đưa tin về hiện tượng cá chết hàng loạt ở các vùng biển duyên hải miền Trung.
Cá chết hàng loạt không chỉ tạo nên cảnh cực khổ nhọc nhằn với miếng cơm manh áo của dân chài miền Trung quanh năm bám biển mà còn nữa là câu chuyện làm sao để giữ cảnh quan thiên nhiên dưới tay “tử thần” khi mà biển biến thành “biển đen”, “biển chết” vì ô nhiễm ngày càng thêm nặng nề.
Nguyên nhân chính do hoạt động của các doanh nghiệp trong việc xử lý chất thải chưa có ý thức và chưa có sự quản lý chặt chẽ của nhà nước.
Các nhà máy của Formosa hiện mỗi ngày xả ra biển trực tiếp khoảng 11.000 m3
nước thải cùng một số chất như axit, kiềm, dầu mỡ và chất rắn.
Nhu cầu xử lý chất lỏng trong công nghiệp trong thời đại ngày nay đang được đẩy mạnh đầu tư. Ngoài những phương pháp truyền thống thì công nghệ xử lý chất lỏng bằng siêu âm đang được phát triển và đáp ứng cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp như nhiên liệu sinh học, nhũ tương hóa, nước thải, nước giải khát, sơn, mực, hóa chất, y học.
Hình 1.2. Ứng dụng siêu âm trong xử lý dung dịch
|
Nhiên liệu sinh học
Diesel sinh học (Biodiesel)
Xăng sinh học (Biogasoline)
Khí sinh học (Biogas)
|
Hóa phẩm
Thuốc trừ sâu
Mỹ phẩm, kem chống nắng
Đồ uống
Thuốc uống |
Trộn, khuấy, phá bọt
Xử lý nước thải trong nhà máy công nghiệp
Trộn mực in Trộn sơn
Khuấy trích ly tinh chất
Khuấy phá bọt trong chất lỏng |
Bảng 1.1 Phân loại ứng dụng siêu âm trong xử lý dung dịch
Trong những năm gần đây, các hạt nano trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như phủ, polyme, mực in, dược phẩm hoặc thiết bị điện tử. Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến việc sử dụng các vật liệu nano là chi phí vật liệu nano. Do đó, cách hiệu quả chi phí để sản xuất vật liệu nano với số lượng lớn được yêu cầu. Máy khuấy siêu âm công suất cao Vietsonic là một phương pháp xử lý hiệu quả và đa dạng đối với vật liệu nano. Rõ ràng nhất phân tán nguyên liệu trong dung môi do sóng siêu âm làm phá vỡ sự kết dính của các hạt nguyên liệu. Điều này dẫn đến, sóng siêu âm sẽ tạo ra các hạt có kích thước nhỏ hơn và kích thước đồng đều hơn.
Hình 1.3. Kích thước hạt Nano
Vật liệu nano đã trở thành phần không thể thiếu của các sản phẩm đa dạng như kem chống nắng, lớp phủ dẫn điện, vật liệu tổng hợp nhựa nhẹ, sơn và mực. Vì vậy để phân tán cũng như phân tán nhỏ hạt nano cần phải cung cấp đủ năng lượng để vượt qua lực liên kết này.
Phân tán và phá vỡ sự kết tụ của hạt nano là kết quả của hiện tượng xâm khí thực do sóng siêu âm. Khi siêu âm lan truyền vào trong dung môi, sẽ liên tục tạo ra các chu kỳ xen kẽ giữa áp suất cao và áp suất thấp, ảnh hưởng đến sự liên kết của hạt nano. Đồng thời khi hàng loạt các bọt khí vỡ tung sẽ tạo ra một áp lực tương tự động cơ phản lực của máy bay (khoảng 600mph) tác động lên chùm hạt nano khiến chúng tách ra khỏi nhau dễ dàng. Điều này làm cho siêu âm là một phương tiện hiệu quả trong việc phân tán hạt nano và giảm kích thước hạt nano.
Hình 1.4. Biểu đồ thể hiện kích thước hạt Nano
Ngoài ra trong nhiều loại hạt nano khác như: oxit kim loại, mực in, chất phủ bề mặt đòi hỏi trong dung môi phải tồn tại một hợp chất polymer chất xúc tác phân tán. Để polymer có thể bao phủ từng hạt nano riêng lẻ, thì chúng cũng phải có kích thước nhỏ để bao phủ đều bên ngoài bề mặt hạt nano. Tương tự sóng siêu âm cũng sẽ phán tán nhỏ hạt polymer đồng thời cải thiện lực hút giữa polymer và hạt nano.
Có thể nhận thấy cụm từ “trích ly tinh chất” đang rất phổ biến trong các ngành như dược phẩm, thực phẩm chức năng, mỹ phẩm thiên nhiên. Nguyên nhân là do trong cuộc sống hiện đại, môi trường ngày càng trở nên ô nhiễm làm ảnh hưởng mạnh mẽ đến sức khỏe con người. Để khắc phục vấn đề này ngày càng có nhiều loại thực phẩm, vị thuốc từ thiên nhiên với nhiều cung dụng hữu hiệu nhầm nâng cao sức đề kháng.
Tuy nhiên các thực phẩm này có giá khá cao, nghiên cứu và chế tạo rất phức tạp. Trong đó phương pháp trích ly tinh chất từ các loại thảo mộc thiên nhiên đang gây khó khăn cho các nhà nghiên cứu vì có rất ít công nghệ hiệu quả trong việc phá vỡ thành tế bào để dung môi có thể hòa tan chất cần thiết. Phương pháp siêu âm được xem như là một phương pháp tốt trong việc kiểm soát phân rã tế bào.
Khi sóng siêu âm lan tỏa vào trong dung môi đã chứa nguyên liệu cần trích ly, chúng sẽ dao động kéo/nén liên tục tạo ra rất nhiều bọt khí nhỏ mà mắt thường không nhìn thấy được. Khi năng lượng của các bọt khí ở mức cao nhất chúng sẽ nổ tung hàng loạt tạo môi trường tức thời có nhiệt độ lên đến 5000oC và áp suất khoảng 1000atm. Các tế bào tồn tại trong môi trường này sẽ không bền vững và thành tế bào bị vỡ đẩy các tinh chất ra ngoài dung môi.
Hình 1.5. Trích ly tinh dầu bằng sử dụng sóng siêu âm cường độ cao
Trong công nghệ xử lý nước thải thực hiện cơ chế cavitation tạo áp lực cao và nhiệt độ tạo sự va chạm khử và loại bỏ các chất độc hại, khử khí, tiêu diệt toàn bộ các vi sinh vật trong nước.
Nghiên cứu do David Grewell, giáo sư kỹ thuật nông nghiệp và hệ thống sinh học đã chỉ ra rằng siêu âm trong giai đoạn "tiền xử lý" một loạt các nguyên liệu bao gồm cả chuyển đổi cỏ, thân cây ngô và gỗ mềm tăng cường các phản ứng hóa học cần thiết để chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu có giá trị cao và hóa chất. Có thể cho năng suất cao trong việc chiết suất dầu và đồng thời chuyển đổi diesel sinh học bằng siêu âm trong hơn một phút. Đây là một phương pháp nhanh hơn đáng kể và ít phức tạp hơn so với các kỹ thuật truyền thống đòi hỏi nhiều bước và thời gian chu kỳ tương đối dài.
Trong nhiên liệu truyền thống etanol không hòa tan mà nó ở dạng huyền phù các phần tử nhỏ li ti. Vì vậy để pha trộn người ta sử dụng máy siêu âm công suất cao sử dụng trong công nghiệp để khuấy trộn hỗn hợp hóa chất, thực phẩm được sử dụng rộng rãi trong chế biến năng lượng sinh học, nó giúp tăng hiệu quả, tiết kiệm nhiều thời gian và tăng hiệu suất hòa trộn.
Hơn nữa thiết bị siêu âm với nguồn năng lượng cao được ứng dụng rộng rãi trong quy trình hàng loạt các ứng dụng như bài khí, khử bọt, trích ly, tăng tốc độ phản ứng, trộn dung dịch.
Các nghiên cứu và phân tích ứng dụng siêu âm đối với xử lý chất lỏng siêu âm hoàn lưu được thực hiện bởi các trường đại học, học viện hoặc các công ty hàng đầu. Đối với các doanh nghiệp Việt Nam, xử lý chất lỏng bằng siêu âm là một phương pháp còn khá mới. Một vài doanh nghiệp có nhu cầu và khả năng đầu tư thiết bị nhưng chưa mạnh dạn do lo ngại về nguồn nhân lực trình độ cao.
Từ những phân tích trên ta nhận thấy việc nghiên cứu công nghệ và chế tạo thiết bị xử lý chất lỏng bằng siêu âm là một hướng đi đầy tiềm năng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp ở nước ta. Xử lý chất lỏng bằng siêu âm sẽ góp phần làm đa dạng sự lựa chọn công nghệ xử lý nước thải và góp phần bảo vệ môi trường, tiết kiệm chi phí đưa công nghệ chúng ta dần bắt kịp công nghệ tiên tiến trên thế giới.
1.2.2. Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu và chế tạo hệ thống xử lý chất lỏng siêu âm hoàn lưu.
1.2.3. Nội dung của đề tài
Đề tài giải quyết các vấn đề sau:
Khảo sát hệ thống xử lí chất lỏng của các công ty nước ngoài đang có trên thị trường.
Nghiên cứu sản xuất hệ thống chuyển đổi dao động điện sang dao động cơ và tạo rung động.
Mô tả cơ chế tác động của siêu âm vào trong chất lỏng trong quá trình xử lý.
Lựa chọn phương án thiết kế bản vẽ hệ thống.
1.3. Tổng quan hệ thống siêu âm
Hệ thống siêu âm được sử dụng với biên độ áp lực cao bao gồm những thành phần thể hiện ở hình 1.6. Các thành phần cấu thành thông thường bao gồm nguồn cung cấp điện (power supply/generator), bộ chuyển đổi (tranducer), đầu rung (horn), buồng chứa chất lỏng xử lý (Reactor Chamber).
Hình 1.6. Tổng quan hệ thống siêu âm
Một dòng điện có tần số 50/60 Hz được chuyển đổi thành 20 kHz đến 100 kHz bởi một mạch điện. Dòng điện mang tần số cao này được chuyển đến bộ chuyển đổi, bộ chuyển đổi này có tác dụng chuyển dao động điện thành dao động cơ học và truyền cho hệ thống phía sau nó hoạt động ở tần số siêu âm. Chuyển động cơ này được truyền qua bộ khuếch đại nhằm điều chỉnh biên độ của sóng siêu âm rồi truyền tới đầu rung. Đầu rung là nơi trực tiếp tiếp xúc với chất lỏng hay vật liệu gia công sử dụng năng lượng rung động của sóng siêu âm.
1.4. Quy cách hệ thống xử lý chất lỏng bằng siêu âm:
Thiết bị siêu âm truyền những dao động tần số cao trong môi trường dung dịch lỏng với áp suất cao được nén liên tục tạo ra vô số kể các bong bóng “bọt khí”. Khi các “bọt khí” phát nổ, tia nước sẽ bắn đi với vận tốc lớn tạo thành cơ chế cavitation (tạm gọi là “sự tạo và vỡ bọt”) , với áp lực cao và nhiệt độ tạo sự va chạm khử và loại bỏ các chất độc hại, tạo hệ phân tán rắn, tạo hệ keo trong quá trình xử lý chất lỏng.
Hình 1.7. Mô hình thiết bị xử lý chất lỏng siêu âm
1.5. Đặc tính hệ thống xử lý chất lỏng bằng siêu âm:
Thiết bị dùng để làm sạch nước thải, khử khí và sản xuất dầu diesel sinh học.
Các đầu rung (Barbell Horn) được điều chỉnh yếu tố cộng hưởng ở một tần số cụ thể.
Khi xử lý chất lỏng căng bề mặt thấp luôn luôn sử dụng một đầu rung có 2 loại vật liệu là Aluminium (Nhôm ) và Titanium (Ti tan ) thông thường Titan được sử dụng phổ biến hơn.
1.6. Yếu tố ảnh hưởng đến độ bền sản phẩm:
Bụi, bụi bẩn, khói nổ và ăn mòn, nhiệt độ và độ ẩm ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ cũng như độ bền sản phẩm.
Dòng điện cho bộ xử lý siêu âm cần được ổn định bằng Aptomat được nối đất đúng theo quy chuẩn.
Không được chạm vào đầu rung khi đang vận hành.
Nếu xử lý các chất lỏng dễ cháy, cần cách ly với vật dễ cháy và có biện pháp phòng hộ an toàn.
Khi định vị các chi tiết, bộ phận, phải đảm bảo quá trình thao tác tháo lắp sửa chữa được dễ dàng.
Tất cả nhân viên vận hành thao tác có trình độ chuyên môn nhất định.
1.7. Khái niệm, cơ chế hoạt động của quá trình:
1.7.1. Giải thích về cơ chế 1 cách cơ bản:
Các nguyên tắc cơ bản của sự hình thành cơ chế cavitation có thể được giải thích bằng ví dụ sau:
Hình 1.8. Giải thích cơ chế hình thành Cavitation
Hãy xem xét những gì xảy ra với chất lỏng trong một ống tiêm đóng đã đầy một nửa sau khi một pit tông được kéo về phía sau (hình trên bên trái). Do khối thể tích trong ống tiêm tăng lên, chất lỏng được kéo dài và sẽ vỡ các tạp chất các vết bụi, bọt khí tạo thành khoảng trống áp suất thấp. Nếu pít tông được tác động đẩy nó sẽ trở về vị trí ban đầu của nó dẫn đến các khoảng trống sụp đổ. Lưu ý rằng thời gian diễn ra quá trình trong hệ thống xử lý chất lỏng bằng siêu âm trong vài µs.
1.7.2. Hiện tượng xâm khí thực
Khi sóng siêu âm được truyền vào môi trường chất lỏng, các chu trình kéo và nén liên tiếp được tạo thành. Trong điều kiện bình thường, các phân tử chất lỏng ở rất gần nhau nhờ liên kết hóa học. Khi có sóng siêu âm, trong chu trình nén các phân tử ở gần nhau hơn và trong chu trình kéo chúng bị tách ra xa. Những dao động này sẽ lan truyền cho các phần tử kế cận. Khi năng lượng đủ lớn, tại chu trình duỗi, tương tác giữa các phân tử sẽ vượt quá lực hấp dẫn nội tại và các lỗ hổng nhỏ trong lòng chất lỏng được hình thành. Áp lực trong chu trình kéo đủ mạnh để thắng các lực liên kết giữa các phân tử và tạo thành những bọt khí nhỏ. Bọt khí trở thành hạt nhân của hiện tượng xâm thực khí (Kuldiloke J., 2002).
Những bọt khí này sẽ lớn dần lên bởi quá trình khuếch tán một lượng nhỏ các cấu tử khí (hoặc hơi) từ pha lỏng trong suốt pha dãn nở và không được hấp thụ hoàn toàn trở lại trong quá trình nén.
Bọt khí hình ảnh chúng như bong bóng khí nhỏ, kích thước của chúng dao động nhẹ trong các chu trình kéo và nén. Sau hàng ngàn chu trình, chúng tăng thêm về kích thước.
Hình 1.9. Sự tăng trưởng kích thích của các lỗ hỏng trong chất lỏng
Sóng siêu âm làm rung động những bọt khí này hình thành dòng nhiệt bên trong chất lỏng. Bọt khí có thể lên kết những bọt khí khác kết hợp lại với nhau và tạo thành dòng nhiệt nhỏ (Kuldiloke J., 2002).
Hình 1.10. Quá trình hình thành, phát triển của bọt khí
Hiện tượng xâm thực khí mở đầu cho rất nhiều phản ứng do có sự hình thành các ion tự do trong dung dịch, thúc đẩy các phản ứng hóa học nhờ có sự trộn lẫn các chất phản ứng với nhau, tăng cường phản ứng polymer hoá bằng cách phân tán tạm thời các phần tử hay bẻ gãy hoàn toàn các liên kết hóa học trong chuỗi polymer, tăng hiệu suất đồng hoá, hỗ trợ trích ly các chất tan như enzyme từ tế bào động vật, thực vật, nấm men hay vi khuẩn, tách virus ra khỏi tế bào bị nhiễm, loại bỏ các phần tử độc hại bao gồm cả vi sinh vật (Kuldiloke J., 2002).
1.7.3. Hiện tượng vi xoáy
Sóng siêu âm cường độ cao truyền vào trong lòng chất lỏng sẽ gây nên sự kích thích mãnh liệt. Tại bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha lỏng/rắn hay khí/rắn, sóng siêu âm gây nên sự hỗn loạn cực độ do tạo thành những vi xoáy. Hiện tượng này làm giảm ranh giới giữa các pha, tăng cường sự truyền khối đối lưu và thúc đẩy xảy ra sự khuyếch tán ở một vài trường hợp mà khuấy trộn thông thường không đạt được (Kuldiloke J., 2002).
1.7.4. Hiện tượng vỡ bóng
Khi chúng đạt đến một thể tích mà chúng không còn có thể hấp thu được năng lượng, chúng vỡ ra một cách đột ngột và nhanh chóng. Trong suốt quá trình vỡ bong bóng gây ra nhiệt độ cao lên vùng lân cận lên đến ~ 5.000° C và áp lực lên đến ~ 1.000 atm. Mặt khác, nhiệt độ và áp suất cao tạo ra khi nổ bong bóng sẽ dẫn tới sự tạo thành các gốc tự do như là H* và OH*. Dẫn đến việc biến đổi các tính chất vật lý và hóa học. Thể tích chất lỏng bị gia nhiệt là rất nhỏ và nhiệt nhanh chóng bị tiêu tan, mặc dù nhiệt độ tại vùng này thì rất cao trong vài µs.
Hình 1.11. Hiện tượng vỡ bóng
Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hình thành và vỡ bóng:
Một số thông số như là tần số và biên độ của sóng siêu âm, nhiệt độ và độ nhớt của môi trường ảnh hưởng đến mức độ tạo bong bóng khí.
Sự hình thành các lỗ hổng hay bóng khí có thể bị giới hạn ở tần số cao hơn 2,5 MHz. Kích thước bong bóng khí thu được ở tần số thấp hơn 2,5 MHz là tối đa và do đó những bong bóng khí này sẽ tạo ra năng lượng lớn khi vỡ.
Siêu âm với biên độ cao hơn sẽ hình thành hiện tượng sủi bong bóng với cường độ mạnh hơn. Bong bóng được hình thành nhanh hơn ở nhiệt độ cao hơn do tăng áp suất hơi và giảm sức căng. Tuy nhiên sức căng hơi cao hơn sẽ làm yếu đi cường độ nổ bong bóng.
Độ nhớt của chất lỏng cũng ảnh hưởng đến hiện tượng sủi bong bóng. Trong môi trường có độ nhớt cao, sự lan truyền của các phần tử trong trường siêu âm bị cản trở và do đó làm giảm mức độ sủi bong bóng. Trong trường hợp này, siêu âm có tần số thấp hơn và năng lượng cao hơn có khả năng xuyên thấu vào thực phẩm tốt hơn là siêu âm có tần số cao hơn.
1.7.5. Hiện tượng từ giảo
Vào khoảng năm 1842, James Joule đã phát hiện ra sự thay đổi kích thước của một mẫu Niken khi đưa nó vào trong từ trường và gọi nó là hiện tượng từ giảo. Là nguyên lý để sử dụng để phát sóng siêu âm.
Hiện tượng từ giảo là hiện tượng xuất hiện ở tất cả các vật liệu sắt từ. Một vật liệu từ giảo sẽ bị biến dạng khi chịu tác dụng của từ trường bên ngoài. Hiện tượng này là do sự quay của các từ trường nhỏ ở trong vật liệu được sắp xếp không có định hướng khi không có từ trường. Định hướng của những từ trường nhỏ tạo nên ứng suất kéo tác dụng lên vật liệu. Khi từ trường dần tăng lên thì tính định hướng của các từ trường nhỏ ngày càng cao, khi đạt đến trạng thái bão hoà, chúng sẽ được sắp xếp nằm trên cùng một trục, lúc đó vật liệu cũng được kéo dài tối đa do từ trường.
Hình 1.12. Mô tả hiện tượng từ giảo
1.8. Các công ty làm ra sản phẩm và bán trên thị trường
- Công ty Roop Telsonic Ultrasonix
Thiết bị siêu âm xử lý chất lỏng của công ty Roop Telsonic Ultrasonix với cường độ cao (phạm vi 20 kHz) thế hệ siêu âm đủ mạnh mẽ để đạt được xử lý chất lỏng với những đặc tính và mục đích khác nhau. Công suất 100W với biên độ dao động từ 180-210μm.
Thiết bị siêu âm hoạt động tốt đối với lưu lượng lên tới 1 lít/phút áp dụng trong quy mô xử lý chất lỏng trong phòng thí nghiệm.
Hình 1.13. Mô hình thiết bị xử lý chất lỏng siêu âm của công ty Roop Telsonic Ultrasonix
Thiết bị xử lý siêu âm là một công cụ rất hiệu quả để sử dụng hàng ngày trong phòng thí nghiệm. Đặc biệt đối với các ứng dụng như sự phá vỡ các tế bào, chuẩn bị nhũ tương và phân tán, khả năng tăng tốc của phản ứng hóa học khác nhau, phun và khử khí của chất lỏng và các chiết xuất của một số chất từ nguồn hữu cơ.
Nhiều quá trình quan trọng có thể được tối ưu hóa và được thực hiện trong một nhanh hơn, tiết kiệm chi phí và cách hiệu quả. Hơn nữa thiết bị là sự lựa chọn lý tưởng cho các hoạt động phát triển trong các lĩnh vực nghiên cứu sono hóa học.
Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý thiết bị xử lý chất lỏng siêu âm của công ty Roop Telsonic Ultrasonix
Hình 1.15. Thiết bị xử lý chất lỏng siêu âm của công ty Roop Telsonic Ultrasonix trong quá trình trộn mực
üƯu điểm: Được thiết kế tích hợp tiết kiệm không gian. Công suất xử lý chất lỏng quy mô nhỏ rất phù hợp trong phòng thí nghiệm. Tiết kiệm thời gian xử lý, tăng năng suất. Người ta có thể đặt trước thời gian mong muốn và biên độ dao động siêu âm theo yêu cầu.
üNhược điểm: Chỉ áp dụng cho quy mô xử lý chất lỏng trong phòng thí nghiệm. công suất nhỏ, hệ thống làm mát chưa được chú trọng, dễ gây cháy nổ.
- Công ty Sonicator
Máy xử lý chất lỏng công tay Sonicator có công suất 200W được sử dụng cho quá trình tối ưu hóa và xử lý chất lỏng theo dòng. Thiết bị siêu âm có thể thiết kế bao gồm nguồn cung cấp điện, bộ chuyển đổi, đầu rung, khoang chứa chất lỏng, bơm làm mát cho hệ thống. Dùng khuấy trộn dung dịch, trích ly, đồng hóa. Với quy mô phòng thí nghiệm và bán công nghiệp.
Hình 1.16. Mô hình thiết bị xử lý chất lỏng siêu âm của công ty Sonicator
Khả năng của thiết bị có thể xử lý chất lỏng quy mô từ phòng thí nghiệm cho đến hệ thống xử lý chất lỏng công nghiệp. Được thiết kế chế tạo bởi công ty các thiết bị siêu âm Sonicator.
Trong toàn bộ hệ thống xử lý chất lỏng thông số điều khiển, chẳng hạn như biên độ hay áp lực được tự động tính cho toàn bộ quá trình.
Thiết bị siêu âm hoạt động tốt đối với lưu lượng lên tới 2 lít/phút. Hệ thống bơm được sử dụng để làm dẫn nước làm mát thiết bị khi xử lý dung dịch.
Hình 1.17. Sơ đồ nguyên lý thiết bị xử lý chất lỏng siêu âm của công ty Sonicator
Hình 1.18. Hình dáng các mẫu Horn trong thiết bị xử lý công ty Sonicator
üƯu điểm : Có thể sử dụng để khử sạch dung dịch, khuấy trộn phạm vi trong phòng thí nghiệm lẫn dây chuyền công nghiệp. Công suất xử lý chất lỏng quy mô vừa (2lít/phút). Có trang bị hệ thống dẫn nước làm mát khi xử lý dung dịch. Tích hợp nhỏ gọn, chiếm ít không gian lắp đặt.
üNhược điểm: Giá thành tương đối cao, công suất khá thấp khi ứng dụng trong quy mô công nghiệp.
- Công ty Sonomechanics - Bsp1200 Ultrasonic Liquid Processor
Thiết bị xử lý chất lỏng siêu âm được thiết kế để tối ưu hóa quá trình và sản xuất quy mô vừa. Công suất nguồn 1.200W và hoạt động ở tần số khoảng 20 kHz. Các bộ vi xử lý được cung cấp cho thiết bị siêu âm bao gồm máy phát điện, bộ chuyển đổi, đầu rung, buồng chứa chất lỏng xử lý.
Hình 1.19. Mô hình thiết bị Bsp1200 Ultrasonic Liquid Processor của công ty Sonomechanics
Với nguồn điện cung cấp 1.200 W máy phát siêu âm kích thích đầu rung tạo thành cơ chế cavitation sẽ sinh ra nhiệt lượng. Bởi vậy toàn bộ hệ thống qua trong quá trình sẽ được làm mát bằng nước.
Một phía đầu rung được nhấn chìm vào chất lỏng khoảng độ sâu khoảng 60 - 80 mm. Quy mô vừa lên đến khoảng 80 L có thể yêu cầu chất lỏng xử lý được lập trình và hoạt động một cách độc lập.
Với quy trình này, chất lỏng được bơm từ bồn đến buồng chứa chất lỏng xử lý. Tại đây các đầu rung sẽ tạo sóng siêu âm để xử lý chẳng hạn như thanh lọc nước thải hoặc sản xuất dầu diesel sinh học, khử khí, khuẩn vi trùng.
Chất lỏng sau khi được xử lý được bơm đi nơi khác. Quá trình được lặp lại tiên tục thành quy trình xử lý chất lỏng hồi lưu.
Hình 1.20. Sơ đồ nguyên lý thiết bị Bsp1200 Ultrasonic Liquid Processor của công ty Sonomechanics
Hình 1.21. Quá trình xử lý chất lỏng hệ thống Bsp1200 Ultrasonic Liquid Processor
ü Ưu điểm: Có thể xử lý chất lỏng tính năng đa dạng như tách, khuấy khử chất lỏng, áp dụng trong phòng thí nghiệm cũng như trong hệ thống công nghiệp với lưu lượng xử lý chất lỏng lớn. Hệ thống được thiết kế dạng hồi lưu nên tạo nên sự đồng đều cao của hỗn hợp chất lỏng. Thời gian xử lý nhanh, tiết kiệm nhiên liệu, có hệ thống làm mát được bố trí đảm bảo an toàn trong quá trình xử lý chất lỏng.
üNhược điểm: Thiết lập thông số và cài đặt khá phức tạp. Cần phải có không gian rộng để bố trí lắp đặt và giá thành tương đối cao.
1.9. Bảng SWOT đánh giá
Mô hình phân tích SWOT là một công cụ hữu dụng được sử dụng nhằm hiểu rõ Điểm mạnh (Strengths), Điểm yếu (Weaknesses), Cơ hội (Opportunities) và Nguy cơ (Threats) trong một dự án hoặc tổ chức kinh doanh.
Thông qua phân tích SWOT, doanh nghiệp sẽ nhìn rõ mục tiêu của mình cũng như các yếu tố trong và ngoài tổ chức có thể ảnh hưởng tích cực hoặc tiêu cực tới mục tiêu mà doanh nghiệp đề ra.
Hình 1.22. Sơ đồ minh họa phân tích SWOT
|
-Có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực oxy hóa làm sạch nước thải, khử khí và sản xuất dầu diesel sinh học,khuấy trộn chất lỏng -Tốn ít năng lượng -An toàn cho người sử dụng -Dễ tự động hóa -Thời gian xử lý nhanh |
-Giá thành thiết bị tương đối cao -Là một công nghệ khá mới mẻ đối với người vận hành, sử dụng. -Hạn chế về các mối quan hệ cũng như khách hàng sử dụng ở thị trường Việt Nam |
|
-Ứng dụng siêu âm là công nghệ đang ngày càng được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thế giới nói chung và ngành công nghiệp Việt Nam nói riêng -Hiện nay các thiết bị siêu âm đều phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao và dịch vụ hậu mãi hạn chế, các thiết bị siêu âm đòi hỏi phải được bảo trì, bảo dưỡng định kỳ nhưng điều kiện cơ sở hiện tại ở Việt Nam chưa thể đáp ứng được -Trong lĩnh vực nghiên cứu và sản xuất thiết bị siêu âm công suất cao như hàn siêu âm, cắt siêu âm và khuấy siêu âm chưa nhiều. -Là một nhu cầu thiết yếu của thị trường và là một lĩnh vực mới nhiều cơ hội. |
-Đảm bảo chất lượng với các sản phẩm, thiết bị hiện thời với giá cả cạnh tranh -Đảm bảo về tính công nghệ đi đầu trong việc nội địa hóa thiết bị siêu âm. -Nguy cơ sẽ có những thiết bị siêu âm khác thay thế nên cần chú trọng thiết kế đơn giản, dễ sử dụng và linh hoạt theo nhu cầu thị trường. -Cơ cấu và tổ chức ngành nghề đào tạo người kĩ sư, công nhân nắm bắt kịp thời công nghệ mới. |
Bảng 1.2. Bảng SWOT phân tích về sản phẩm
Kết luận : Đối với thị trường sản xuất thiết bị siêu âm xử lý chất lỏng ở Việt Nam còn khá mới mẽ. Sẽ là một lĩnh vực mới có nhiều cơ hội nhưng bên cạnh đó cũng tồn tại những rủi ro thách thức. Cần có thời gian đầu tư nghiên cứu cùng với sự hỗ trợ đội ngũ chuyên gia phát triển thành công công nghệ sử dụng siêu âm công suất cao xử lý chất lỏng tại thị trường Việt Nam.
2. CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CHẤT LỎNG SIÊU ÂM
Xử lý chất lỏng bằng siêu âm là một ứng dụng của sóng siêu âm truyền qua đầu rung (horn) và tác động trực tiếp lên chất lỏng. Một hệ thống siêu âm cơ bản như đã được giới thiệu ở hình 1.6. Trong chương này sẽ trình bày kỹ hơn về các thành phần kể trên của hệ thống siêu âm.
1.
2.
2.1. Nguồn phát siêu âm (Generator)
Máy phát điện cung cấp năng lượng cho hệ thống siêu âm để sinh ra dòng điện với một mức năng lượng lượng định rõ. Hầu hết những máy phát năng lượng được hiệu chỉnh một cách gián tiếp qua việc cài đặt hiệu điện thế (U) và cài đặt cường độ dòng điện (I). Hiệu điện thế biểu thị thế năng được dự trữ trong các electron và cường độ dòng điện biểu thị bằng điện tích của các electron di chuyển qua một đơn vị diện tích trong 1 đơn vị thời gian. Năng lương được tạo ra từ hai giá trị trên được biểu thị qua phương trình P=UI (W). Các máy phát điện được thiết kế đặc biệt cho siêu âm chủ yếu tập trung trong xử lý, khử trùng, trộn lẫn chất lỏng có công suất vừa tầm 1200W có tác dụng trong khoảng tần số 20kHz đến 40kHz.
Nguồn phát siêu âm công suất cao kết nối bao gồm một mạch cầu công suất biến tần transistor, mạch đầu ra kết nối với một nguồn DC để tạo ra một dòng điện xoay chiều. Kiểm soát quá tải của mạch bằng cách giảm độ rộng xung khi dòng ở đầu ra vượt quá mức xác định trước do đó dòng đầu ra được giảm xuống. Một mạch khởi động trong mạch tạo xung tăng dần độ rộng xung trong quá trình khởi động generator và một mạch bảo vệ khác chống lại sự tăng lên quá tải của mạch trong quá trình hoạt động. Mạch tạo xung cũng bao gồm một pha khoá vòng mạch dao động có một đầu kết nối vào bộ lọc khuếch đại với mạch công suất để đồng bộ hoá các mạch tạo xung với tần số hoạt động của thanh rung (tranducer + booster + horn). Các bộ khuếch đại mạch lọc có thể điều chỉnh để sử dụng với các horn khác nhau, thiết lập biên độ siêu âm, độ nhớt chất lỏng và áp suất, ngâm sâu.
Hình 2.1. Nguồn sóng siêu âm
2.2. Bộ chuyển đổi (Tranducer)
Là một bộ phận trung tâm quan trọng chuyển đổi năng lượng điện đến từ các siêu âm phát điện thành năng lượng cơ khí trong của sóng siêu âm. Những dao động cơ này sau đó được truyền tới Barbell Horn để khuếch đại và phân phối đến các chất lỏng xử lý. Có một số loại của hiệu suất cao (93-97%) đầu dò áp điện được sử dụng trong phòng thí cũng như băng chuyền công nghiệp. Bên cạnh đó cảm biến không khí làm mát bằng chuẩn được sử bố trí cùng với bộ chuyển đổi. Các thiết bị này được bao bọc với môi trường bên ngoài và phù hợp với điều kiện độ ẩm cao cũng như chế biến các vật liệu dễ cháy như nhiên liệu và dung môi hữu cơ.
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi
Hình 2.3. Vật liệu cấu thành bộ chuyển đổi
Hình 2.4 .Các bộ chuyển đổi tương ứng với các tần số khác nhau
2.3. Bộ khuếch đại (Booster)
Booster là bộ phận khuếch đại biên độ dao động của sóng siêu âm, được ghép nối tiếp liền sau tranducer và truyền biên độ dao động này vào đầu cắt (horn). Vật liệu chế tạo booster thường được sử dụng là nhôm hợp kim hoặc titan.
Để tạo ra được dao động cộng hưởng với tranducer, booster phải có chiều dài là một nửa bước sóng siêu âm truyền trong vật liệu mà nó được chế tạo ở tần số dao động của tranducer truyền tới nó.
Hình 2.5. Sự khuếch đại biên độ của Booster trong hệ thống siêu âm
Hình 2.6. Vị trí lắp booster trong hệ thống siêu âm
2.4. Đầu rung (Horn)
Các đầu rung (horn) là thành phần khuếch đại biên độ của sóng siêu âm vào trong chất lỏng. Tùy thuộc vào đường kính đầu rung để tạo ra năng lượng cũng như biên độ siêu âm khác nhau. Horn được gắn nối tiếp với booster là bộ phận dao động với tần số siêu âm nằm cuối cùng của hệ thống có nhiệm vụ tác động lên chất lỏng. Horn có thể được thiết kế làm khuếch đại biên độ dao động hoặc là không. Vật liệu làm horn thường được sử dụng là titan.
Hình 2.7. Vị trí làm việc đầu rung (Horn)
Hình 2.8. Một số đầu rung (Horn) trong xử lý chất lỏng
2.5. Buồng chứa chất lỏng xử lý (Reactor Chamber)
Có 2 phương pháp chiếu xạ sóng siêu âm : Trực tiếp và gián tiếp
Hình 2.9. Phương pháp chiếu xạ siêu âm
Hình (a) sử dụng phương pháp chiếu xạ siêu âm gián tiếp. Đầu rung tạo sóng siêu âm truyền qua môi trường chất lỏng (phổ biến là nước) sau đó thâm nhập vào buồng chứa dung dịch cần xử lý.
Ưu điểm: Có thể phòng tránh khả năng gây ô nhiễm cho dung dịch được xử lý. Chất lỏng (nước) bao quanh có tác dụng ổn định nhiệt độ phòng chống cháy nổ.
Nhược điểm: Quá trình xử lý chậm hơn vì phải qua chất lỏng trung gian. Và chỉ áp dụng cho quy trình xử lý chất lỏng công suất nhỏ.
Hình (b) (c) sử dụng phương pháp chiếu xạ siêu âm trực tiếp. Đầu rung được bố trí từ dưới lên hoặc trên xuống tạo sóng siêu âm đứng tác động trực tiếp lên dung dịch cần xử lý.
Ưu điểm: Áp dụng cho quy trình xử lý chất lỏng công suất lớn trong công nghiệp tuy nhiên
Nhược điểm: Cần phải bố trí hệ thống két nước làm mát xung quanh bồn chứa chất lỏng cần xử lý tránh gây cháy nổ.
Hình 2.10. Một số phương án hệ thống xử lý có sẵn trên thị trường
Hình (a) chiếu xạ gián tiếp 500 kHz, Hình (b) chiếu xạ gián tiếp và trực tiếp chiếu xạ kết hợp 500 kHz, Hình (c) chiếu xạ trực tiếp 45 kHz, Hình (d) chiếu xạ trực tiếp 2.4 MHz, Hình (e) trực tiếp chiếu xạ sử dụng đầu rung 20 kHz, Hình (f) chiếu xạ trực tiếp loại dòng chảy 500 kHz.
Hiện nay phương án sử dụng chiếu xạ trực tiếp sử dụng đầu rung được sử dụng phổ biến các được các hãng siêu âm hàng đầu thế giới lựa chọn Hình (e).
Dung lượng buồng chứa khoảng từ 80-200 ml. Tại đây chất lỏng được bơm vào vào buồng, các đầu rung thực hiện việc truyền dao động dây hiện tượng “vỡ bọt” xử lý chất lỏng. Đồng thời các hệ thống làm mát được bố trí tại tại đây để đảm bảo sự ổn định về nhiệt độ. Các găng cao su được bố trí 2 đầu mặc bích để đảm bảo rung động và chịu lực với biên độ dao động trong quá trình xử lý.
Hình 2.11. Hình ảnh buồng chứa chất lỏng xử lý (Reactor Chamber)
2.6. Vấn đề tiếng ồn trong xử lý siêu âm
2.6.1. Khuyến cáo về mức độ ô nhiễm tiếng ồn trong quá trình xử lý
Ngoài những bộ phận chính quan trọng trong hệ thống siêu âm thì vấn đề ô nhiễm tiếng ồn trong quá trình xử lý không thể không nhắc đến.
Nhiều người trong chúng ta phải đối mặt với môi trường làm việc ồn ào. Tiếng ồn sản xuất bởi bộ vi xử lý siêu âm, nếu biện pháp phòng ngừa không được thực hiện, có thể là đủ lớn (lên đến 109 dBA) gây khó chịu đáng kể và thậm chí dẫn đến mất thính lực.
Tiếp xúc kéo dài (hơn 8 giờ) cho bất kỳ tiếng ồn tại hoặc cao hơn 85 dB A được kết luận sẽ giảm thích giác dần dần.
Đó là khuyến cáo rằng tiếp xúc không được bảo vệ thường xuyên đến 100 dB thời gian làm việc chỉ 15 phút hoặc ít hơn.
Tiếp xúc không được bảo vệ thường xuyên với tiếng ồn tại 110 dBA trong hơn 1 phút có thể gây ra mất thính lực vĩnh viễn.
Trong hầu hết các trường hợp mức âm có độ lớn 80-90 dBA trong thiết bị siêu âm là đủ cho phù hợp với Mỹ và châu Âu quy định mức tiếng ồn nghề nghiệp cho một ca làm việc 8 giờ.
Bảng 2.1. Mức áp suất âm tại các vị trí lao động
Theo như số liệu thu thập được hệ thống siêu âm khi xử lý cho chất lỏng chảy qua có mức âm khoảng 106 dBA. Số liệu này cho thấy rõ ràng rằng điều hành hệ thống xử lý siêu âm mà không bảo vệ tai đầy đủ cho cả các nhà điều hành và nhân viên khác trong vùng lân cận của thiết bị là không an toàn.
2.6.2. Các phương pháp xử lý tiếng ồn cho hệ thống siêu âm
Có 2 phương pháp xử lý tiếng ồn:
Sử dụng thùng inox trong có lót 1 lớp xốp tiêu âm dày 5-10 cm bao bên ngoài hệ thống với tác dụng cách âm, giảm tiếng ồn trong quá trình xử lý chất lỏng.
Hình 2.12. Thùng cách âm cho hệ thống
Đặt bộ xử lý siêu âm của trong thùng có lót xốp tiêu âm để bao vây giảm tiếng ồn, giảm mức âm. Thùng cách âm như vậy có thể đặt sẵn từ nhiều nhà phân phối. Là một giải pháp khá hữu hiệu quan trọng trong việc giảm tiếng ồn. Hầu hết theo tiêu chuẩn thùng cách âm các âm thanh được giảm độ ồn khoảng 20 dBA.
Tiêu chí thùng cách âm: Dễ tháo mở, nhỏ gọn đảm bảo tính linh hoạt, kín để việc cách âm thanh được đảm bảo.
Sử dụng tai nghe bịt tai là một trong những phương pháp phổ biến nhất để giảm âm thanh không mong muốn. Đeo tai phone giảm tiếng ồn lên đến 35 dBA ít tốn kém và được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên có thể không được thuận tiện gặp khó khăn khi công việc cần giao tiếp nhiều với đồng nghiệp.
Hình 2.13. Tai nghe khử tiếng ồn
3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ CHẤT LỎNG BẰNG SIÊU ÂM
Thông số thiết kế đặt ra cho thiết bị xử lý chất lỏng siêu âm hoàn lưu và đầu rung tác động trực tiếp lên chất lỏng
|
1 |
Tần số làm việc |
20 kHz |
|
2 |
Biên độ dao động |
80 - 100 µm |
|
3 |
Công suất nguồn phát |
1000-1200W |
|
4 |
Công suất xử lý |
3L/Phút |
Bảng 3.1. Thông số đầu vào của thiết bị xử lý
Mô hình thiết kế hệ thống xử lý siêu âm hoàn lưu
Hình 3.1. Tổng quan hệ thống xử lý chất lỏng bằng siêu âm
Hình 3.2. Sơ đồ khối hệ thống xử lý siêu âm hoàn lưu
3.
3.1. Thiết kế chân gá
Đế làm bằng thép đúc, phẳng kích thước 350 x 300 x 20 mm, được sơn tĩnh điện, có lỗ ren M18.
Cọc đỡ đường kính Ø 20 mm, cao 700 mm, có tiện ren M18, được làm bằng thép mạ kẽm kèm 2 chốt kẹp.
Trọng lượng: 5.0 kg. Giá thị trường 495.000đ.
Hình 3.3. Thiết kế chân gá
3.2. Thiết kế đầu rung (horn)
Sử dụng phần mềm CARD (Computer Aided Resonator Design) của công ty Krell Engineering, Mỹ.
|
1 |
Vật liệu |
Nhôm 7075 |
|
2 |
Vận tốc truyền sóng |
6000 m/s |
|
3 |
Mô đun đàn hồi |
73.6 Gpa |
|
4 |
Khối lượng riêng |
2845 kg/m3 |
|
5 |
Hệ số Poisson |
0.33 |
Bảng 3. 1. Thông số đầu vào của thiết bị xử lý
Dựa vào các thông số đầu vào phần mềm CARD sẽ tính toán theo mặt cắt ngang dọc trục dao động để đưa ra kích thước chiều dài đầu rung phù hợp với tần số cộng hưởng của hệ.
Khi tần số dao động riêng của đầu rung bằng với tần số hoạt động của dao cắt thì phần mềm CARD kết thúc quá trình tính toán.
Dựa trên các paten về đầu rung (horn) của các hãng siêu âm về hình dáng. Đầu rung (horn) được thiết kế như hình 3.4
Hình 3.4. Đầu rung (horn) thiết kế
3.3. Thiết kế bộ khuếch (Booster)
Dựa trên các paten về đầu rung (horn) của các hãng siêu âm. Đầu rung (horn) được thiết kế như hình 3.5
Hình 3.5. Booster thiết kế
Đầu rung (horn) và bộ khuếch (booster) được liên kết với nhau bởi ty ren M12 1.75.
Hình 3.6. Lắp đặt Tranducer Booster Horn
3.4. Thiết kế buồng chứa dung dịch phản ứng (Reactor Chamber)
Buồng chứa dung dịch phản ứng với dung tích khoảng 80ml. Được thiết kế bao ngoài là hệ thống két nước làm mát.Buồng chứa dung dịch được kết nối với mặt bích trên đầu rung (Horn) qua 6 con ốc.
Hình 3.7. Hình ảnh Reactor Chamber được kết nối với Horn qua mặt bích
Hình 3.8. Thiết kế buồng chứa dung dịch (Reactor Chamber)
3.5. Lựa chọn van nối nhanh AKS phi 12mm
Van nối nhanh AKS là những thiết bị kết nối ống tiêu chuẩn làm bằng nhựa và kim loại cao cấp. Được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực bơm hóa chất, máy phun sương, súng xịt áp lực. Thiết kế có gioăng cao su tránh hiện tượng rò rỉ và đảm bảo độ cứng vững trong quá trình xử lý. Với tính tiện lợi, chịu được áp lực cao, tháo lắp dễ dàng hiệu quả lâu dài. Được lựa chọn để kết nối ống trong hệ thống xử lý chất lỏng bằng siêu âm.
Hình 3.9. Van nối nhanh AKS
Hình 3.10. Thiết kế van nối nhanh ASK trong hệ thống
3.6. Thiết kế lựa chọn ống dẫn dung dịch
Thiết kế ống nối hệ thống xử lý chất lỏng:
Lựa chọn kích thước ống các yếu tố cần được xem xét trên các tiêu chí
-Năng suất thiết kế.
-Vận tốc dòng chảy.
-Tuổi thọ làm việc của áp suất.
-Lưu lượng dòng chảy.
Sự tối ưu hoá các yếu tố đường kính, áp suất, bề dày ống. Các yêu cầu về thuỷ lực dòng chảy và tồn trữ của sản phẩm sẽ được sử dụng trong việc đánh giá sơ bộ đường ống kính.
Lựa chọn vật liệu.
Sự rò rỉ từ các đường ống là điều không thể chấp nhận cả về yếu tố thương mại lẫn yếu tố an toàn và ô nhiễm môi trường. Điều này dẫn đến việc vận chuyển các lưu chất như vậy đòi hỏi hệ thống đường ống phải có sự đồng bộ cao nhất, có khả năng chịu được áp suất thích hợp mà không có nguy cơ hư hỏng.
Để trợ giúp người thiết kế trong quá trình lựa chọn vật liệu, các tiêu chuẩn công nghiệp đã được tạo ra theo phân loại vật liệu và quá trình sản xuất để đáp ứng các yêu cầu phẩm chất hoạt động. Ngoài ra, hàng loạt các tiêu chuẩn kỹ thuật công nghệ cũng được hỗ trợ nhằm phát triển và hoàn thiện các tiêu chuẩn công nghiệp để thoả mãn các yêu cầu cụ thể trong xử lý chất lỏng công nghiệp.
Với nhiệm vụ dẫn lưu lượng chất lỏng như Diesel sinh học, xăng, xử lý chất thải, trộn mực, sơn...Công nghệ sản xuất ống dẫn hiện đại và tiến tiến với độ bền cao, khả năng chống chịu nhiệt độ dưới 70°C.
Có độ bền lý, hóa cao với môi trường xăng dầu, hóa chất, chất thải.
Được chế tạo bằng vật liệu composite cốt sợi thủy tinh nền Polyester. Là một trong những công nghệ sản xuất composite cao cấp với phương pháp cuốn ướt, cuốn theo nhiều chiều đan xen. Đảm bảo độ bên vững cơ, lý, hóa học trong mọi điều kiện môi trường. Nó giúp cho đường ống được bảo vệ an toàn trước các tác động của các tác nhân cơ, lý, hóa và sự khắc nghiệt của môi trường.
Hình 3.11. Chọn ống dây làm bằng vật liệu composite
3.7. Thiết kế lựa chọn bơm dung dịch
Bơm hoá chất chuyên sử dụng để bơm dụng môi, axit loãng, hóa chất chất lỏng, chất thải được sử dụng phổ biến trong các nhà máy công nghiệp, ngành thực phẩm.
Đầu bơm và cánh bơm làm bằng PP (polypropylene) không bị ăn mòn bởi hóa chất, axit loãng, có độ bền cao. Động cơ hoạt động mạnh mẽ, bền, lưu lượng nước lớn. Bơm phải được thiết kế làm bằng các vật liệu có khả năng chống ăn mòn cao, năng suất cao, vận hành êm ái, ít ồn, lưu lượng hoạt động lớn.
Bơm có khả năng bơm các chất bẩn nhỏ, dạng hạt lựu hoặc các chất cặn bã, thiết kế bên trong máy bơm hóa chất này còn có một công tắc an toàn bảo vệ máy bơm khi gặp sựu cố.
Lưu ý khi chọn mua máy bơm hóa chất:
Mỗi loại máy bơm hóa chất đều có đặc điểm khác nhau để phục vụ cho các dự án khác nhau, với những ững dụng có áp suất lơn phải lựa chọn loại máy bơm hóa chất được yếu tố này.
Sau đó xác định lưu lượng và cột áp, dòng điện sử dụng là 1 chiều hay xoay chiều. Từ các thông số kỹ thuật trên ta có thể lựa chọn được dòng bơm thích hợp.
Sau khi tìm hiểu về điều kiện làm việc cũng như thông số về bơm. Phương án đề xuất loại bơm hóa chất bơm nước Mini áp lực dùng dòng điện 1 chiều 12V áp lực 0.6Mpa Lưu lượng 3lít/phút. Với ưu điểm thiết kế nhỏ gọn, nhẹ, lưu lượng phù hợp cho hệ thống. Ngoài ra sản phẩm còn thích hợp việc bơm hóa chất, phun thuốc trừ sâu, vệ sinh máy lạnh.
Được thiết kế công tắc áp lực tự động ngắt điện khi khóa nước ra. Khối lượng 590g.
Hình 3.12. Bơm dung dịch Mini
|
Hình ảnh |
Tên sản phẩm |
Công suất |
Điện áp |
Lưu Lượng max |
|
Hp (W) |
(V) |
(L/min) |
||
|
Bơm nước Mini Áp lực |
42W |
12 |
3 |
Bảng 3.2. Thông số motor bơm dung dịch
3.8. Thiết kế hệ thống khuấy dung dịch
Hệ thống máy khuấy hóa chất, máy khuấy sơn, máy khuấy chất lỏng, máy khuấy trộn dung dịch. Taọ moment xoắn để trộn dung dịch,hoá chất. Để trong quá trình xử lý dung dịch được pha trộn đồng đều và tăng năng suất cho hệ thống.
Hình 3.13. Tổng quan hệ thống khuấy dung dịch
Hệ thống máy khuấy gồm 3 thành phần chính :
+ Động cơ điện – Hộp giảm tốc
+ Trục khuấy
+ Cánh quạt khuấy
Lựa chọn động cơ điện:
Động cơ khuấy Tunglee gia công chế tạo tại VN
Hình 3.14. Động cơ khuấy
Vật liệu: Thép không gỉ SS304, SS316
Điện áp 110V to 440V, 50 Hz/60 Hz, 1 pha hoặc 3 pha
Dải công suất 1/4 HP đến 0.5 HP
Tốc độ khuấy 80 vòng/phút đến 100 vòng/phút
Kiểu lắp đặt: Trục đứng mặt bích.
3.8.1. Thiết kế trục khuấy
Đừơng kính trục Ø 20 mm.
Chiều dài trục 400 mmm .
Vật liệu: Thép không gỉ 304, 326.
3.8.2. Thiết kế cánh quạt khuấy dung dịch
Mục đích của việc khuấy trộn:
- Thực hiện quá trình thuỷ cơ: tạo nhũ tương, huyền phù, hoà tan, đồng hoá.
- Thực hiện quá trình trao đổi nhiệt: kết tinh, hấp thụ, cô đặc, làm nguội.
- Thực hiện các phản ứng hoá học, sinh học.
Ngoài ra còn nhiều dung dịch cần phải khuấy trộn để đảm bảo được đúng mục đích, đúng yêu cầu chất lượng của thành phẩm.
Dựa vào mục đích khuấy, độ nhớt, thành phần, tỉ trọng mà ta chọn các loại kiểu cánh khác nhau để phù hợp:
* Cánh khuấy chong chóng inox:
- Cánh khuấy chong chóng inox, Đây là loại cánh thông dụng nhất, loại cánh khuấy này tạo ra dòng chảy hướng trục lớn, dòng chất lỏng được cánh hút vào theo hướng dọc trục.
- Cánh có tác dụng khuấy trộn các loại hạt nổi trên mặt, hỗn hợp chất rắn, chất lỏng, dung dịch hoà tan...đặt biệt là hóa chất.
*Thông số cánh quạt:
Đường kính ngoài Ø 330mm.
Đường kính trong Ø 36mm.
Chất liệu Inox.
Hình 3.15. Thiết kế cánh quạt trong hệ thống khuấy
Hình 3.16. Hệ thống khuấy dung dịch
3.9. Thiết kế hệ thống làm nguội
Tản nhiệt nước (water cooling – WC) là hệ thống tản nhiệt sử dụng chất lỏng để truyền nhiệt lượng từ nguồn nóng của hệ thống đến các lá tản nhiệt ở bên ngoài, thay vì sử dụng không khí như tản nhiệt thường. Phương pháp này cho hiệu năng cao hơn các hệ thống tản nhiệt khí truyền thống. Nước làm mát có thể được tái chế thông qua một tuần hoàn.
Hình 3.17. Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát
Thông số bộ làm mát tản nhiệt bằng nước Watercooling:
- Radiator 120mm (két làm mát) bằng đồng .
- 1 Fan 120mm (quạt làm mát) cho Radiator.
- Pump SC600 (bơm) tốc độ 600 lít/h kèm chân bắt.
- Tank 150ml (ống chưa nước làm mát) kèm chân bắt tùy biến vị trí.
- Dung dịch làm mát.
- Tube mềm (ống nước) dài 2m.
- 11 đầu Fitting Compress (đầu nối ống) cao cấp.
Đơn vị được sử dụng rộng rãi nhất trong việc mô tả lượng nhiệt mà Radiator có thể giải toả khi nhiệt này đó chính là W/10°C .
Hình 3.18. Tốc độ quạt ảnh hưởng đến khả năng giải nhiệt Radiator
Biểu đồ cho ta thấy chiếc quạt đẩy gió ra ngoài ở tốc độ 1300 RPM ( vòng/phút ), thì Radiator này có khả năng tản nhiệt được khoảng 225W/10°C. Điều này có nghĩa nếu nhiệt độ nước đi vào Radiator cao hơn 100C so với nhiệt độ môi trường, thì Radiator có khả năng làm mát lượng nhiệt năng 350W với tốc độ quạt và lưu lượng nước chảy tương đương.
Thành phần hệ thống làm mát gồm: lá tản nhiệt, chất lỏng dẫn nhiệt, ống dẫn nước bình chứa nước, két nước quạt bơm.
Radiator (lá tản nhiệt):
Tản nhiệt nước (water cooling - WC) Nhiệt lượng từ linh kiện sẽ được truyền vào chất lỏng tản nhiệt và được giải phóng ra môi trường qua các lá tản nhiệt. Nó là thành phần quyết định hiệu năng và tuổi thọ của cả bộ làm mát bằng nước.
Radiator là một hộp thép với đường ống dẫn nước và các lá kim loại mỏng gắn vào đó. Nhiệt lượng từ nước sẽ truyền vào các lá thép, sau đó tỏa ra môi trường với sự trợ giúp của quạt, tương tự các hệ thống tản nhiệt khí.
Hình 3.19. Lá tản nhiệt cho hệ thống (Radiator)
-Chất lỏng dẫn nhiệt (coolant):
Nước và các loại chất lỏng dẫn nhiệt (coolant) có khả năng hấp thụ và truyền nhiệt cao hơn hẳn so với không khí.
Người dùng có rất nhiều lựa chọn về chất lỏng dẫn nhiệt. Đơn giản nhất là sử dụng nước tinh khiết (hay nước cất). Cách này rất đơn giản và có giá thành rẻ, tuy nhiên người dùng chọn phương án này phải chuẩn bị giải pháp bảo trì lâu dài.
-Ống dẫn nước:
Bô phận này chịu trách nhiệm kết nối và dẫn nước giữa các thành phần trong hệ thống. Ống nước không có tác dụng làm giảm nhiệt độ nhưng phải có khả năng chịu nhiệt tốt có độ cứng phù hợp không bị bục vỡ khi sử dụng. Nếu khả năng chịu nhiệt kém, ống sẽ bị mềm khi nhiệt độ lên cao và rất dễ tạo ra các đoạn gấp khúc cản trở dòng chảy dẫn đến nhiệt độ tăng. Tồi tệ hơn, nếu luồng chảy bị ngắt, áp suất trong ống tăng cao và các mối nối có thể bị bung ra.
-Bình chứa nước (tank)
Trên thị trường có nhiều loại bình khác nhau, do đó người dùng phải xem xét các yếu tố như kích thước, khả năng di chuyển và mục đích sử dụng của hệ thống làm mát. Khi đến với làm mát bằng nước, người dùng thường có một trong hai yêu cầu: Tránh ồn ào và bụi bặm hoặc đạt khả năng làm mát tối đa.
-Két nước (Water block)
Đối với hệ thống xử lý siêu âm như 1 “két nước” bao bên ngoài buồng chứa chất lỏng. Có vào ở đầu này và thoát ra ở đầu kia.Water block được làm chủ yếu bằng đồng để tăng khả năng hấp thụ nhiệt.
Water block có thể nói đây là thành phần quan trọng nhất của cả hệ thống, nó chịu trách nhiệm chuyển nhiệt lượng tỏa ra hệ thống ( buồng chứa dung dịch) vào nước. Vì thế thiết kế của water block sẽ rất quan trọng đối với hiệu năng tổng thể.
Hình 3.20. Hình ảnh két nước bao ngoài buồng chứa dung dịch(Water block)
-Quạt:
Quạt có tác dụng ép không khí đi qua lá tản nhiệt và lấy đi nhiệt lượng từ đây. Với tản nhiệt nước, cần ưu tiên các loại quạt có áp suất tĩnh cao. Nếu có áp suất tĩnh thấp, quạt sẽ rất khó ép không khí đi qua các lá tản nhiệt, dù có đạt tốc độ hay lưu lượng gió cao thế nào đi nữa.
-Máy bơm:
Máy bơm là bộ phận đẩy nước đi giữa các linh kiện trong hệ thống tản nhiệt. Máy bơm tốt phải có sự cân đối giữa các yếu tố: Sức nén, công suất, độ ồn, nhiệt lượng tỏa ra và điện năng tiêu thụ.
-Nguyên lý hoạt động:
Các két nước sẽ thu nhiệt từ nơi có nguồn nóng rồi trao đổi nhiệt với dung dịch làm mát. Bơm được tích hợp ở đây sẽ đẩy dung dịch nóng này qua đường ống dẫn ra ngoài Radiator đồng thời kéo dung dịch mát hơn vào để tiếp tục lấy nhiệt từ nguồn nóng. Dung dịch nóng hơn sẽ tiến hành trao đổi nhiệt tại Radiator nơi được thiết kế để tối đa hóa diện tích tiếp xúc với không khí luân chuyển qua đây. Và cuối cùng với một quạt hút sẽ kéo không khí lùa qua các khe tại két làm mát và thu nhiệt dung dịch làm mát tại đây để làm nó trở nên lạnh hơn trước khi tiếp tục quay về để thu nhiệt từ nguồn nóng.
Hình 3.21.Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát của hệ thống siêu âm
4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THÔNG SỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG XỬ LÝ CHẤT LỎNG BẰNG SIÊU ÂM
4.
4.1. Tính toán lưu lượng motor bơm
Tính toán phần chất lỏng chứa trong Rector Chamber :
-Thể tích khoang chứa Rector Chamber:
-Phần thể tích Horn chiếm chỗ (Tính toán bằng phần mềm)
Hình 4.1. Phần thể tích Horn chiếm chỗ
Vậy phần thể tích chất lỏng chứa trong Rector Chamber:
V khoang chứa Rector Chamber – V Horn chiếm chỗ
Vậy ta chọn bơm có lưu lương 3L/phút (
4.2. Tính toán thông số motor trộn
Thể tích bể trộn V= 50L ( R =190mm H =450mm)
Chọn thời gian lưu: từ 90 – 120 (s). Chọn t = 120 (s)
(mỗi thành phần đi qua hệ thống trong một khoảng thời gian riêng biệt, gọi là "thời gian lưu")
Năng lượng cần truyền vào nước
Trong đó:
P: năng lượng cần truyền cho dung dịch (W).
V : thể tích bể trộn , V = 0.05 m3
μ: độ nhớt động lực của nước(),ở 250C, ()
G: gradient vận tốc (s-1).
.........................
5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1.
1.1. Thực tiễn nghiên cứu và an toàn thực phẩm
1.1.1. Thực tiễn nghiên cứu
Ở công ty Vietsonic đã chế tạo và vận hành thành công máy xử lý siêu âm với dung dịch rượu thanh long.
Hình 5.1. Thiết bị siêu âm xử lý rượu
Trong quá trình hoạt động, thiết bị tạo ra một chùm bức xạ siêu âm có năng lượng cơ học lớn gồm nhiều thành phần nhiệt độ, áp suất, sức kéo giãn nở, tốc độ siêu thanh để tác động vào rượu nhằm cưỡng bức dao động của các phân tử có trong dung dịch. Các phân tử này chuyển động tạo ra các khe hở làm xuất hiện các bong bóng khí. Khi nhiệt độ lên đến 5000°C và áp suất ở mức 1000atm, các bong bóng khí này vỡ trên bề mặt phân cách giữa thể lỏng và thể khí ở trạng thái mất cân xứng, tạo ra sức mạnh phá vỡ cấu trúc phân tử của các độc tố và các hợp chất thơm có trong rượu, dung dịch rượu bốc hơi thoát ra ngoài trong suốt quá trình hoạt động. Hiện tượng vật lý này kéo theo các phản ứng hóa học chuyển hóa phá hủy các gốc độc hại như Aldehyde, Methanol, Este. Song song đó quá trình xử lý bằng siêu âm còn sắp xếp lại các Ion trong phân tử rượu tạo ra độ mềm và tăng hương thơm tự nhiên cho rượu.
Các chất độc hại có trong dung dịch này cũng được giảm bớt, giúp người uống không bị gắt cổ, đau đầu, hoa mắt, mệt mỏi, khát nước, làm cho các phản ứng hóa học, sinh học diễn ra nhanh hơn, thúc đẩy cơ quan nội tạng đào thải các chất cồn thoát ra ngoài qua tuyến mồ hôi, người uống sẽ mau tỉnh và không bị ảnh hưởng bao tử vì độ pH đã được điều chỉnh.
1.1.2. Vấn đề an toàn thực phẩm trong siêu âm
Phần khuôn khuấy và những phần tiếp xúc với dung dịch đều được chế tạo hoàn toàn bằng thép không gỉ, chất liệu cũng chống tạo bọt và sóng siêu âm khử khí hoàn toàn nên đảm bảo an toàn tuyệt đối 100% khi sử dụng thiết bị siêu âm trong thực phẩm.
1.2. Kết luận luận văn đã giải quyết được các vấn đề sau
Tổng quan về ứng dụng siêu âm xử lý chất lỏng và tầm quan trọng của nó.
Cơ sở lý thuyết về cơ chế, nguyên lý của siêu âm trong xử lý chất lỏng.
Xây dựng mô hình 3D.
Thiết kế bản vẽ các chi tiết quan trọng trong hệ thống.
Tính toán thông số lựa chọn thiết bị cho hệ thống kiểm tra độ bề chi tiết.
Thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống.
Tuy nhiên đề tài vẫn còn một số hạn chế:
Do điều kiện hạn hẹp về thời gian và kinh phí nên chưa chế tạo được sản phẩm để tiến hành thực nghiệm để đưa ra thông số và thời gian để xử lý đối với từng chất lỏng khác nhau.
Bỏ qua ảnh hưởng sự rung động của hệ thống khi tính toán và thiết kế, thực tế khi xử lý sẽ có rung động tác dụng trực tiếp lên hệ thống. Nếu trùng với tần số của hệ dao động sẽ gây hiện tượng cộng hưởng.
1.3. Kiến nghị
Do công nghệ xử lý chất lỏng bằng siêu âm hiện này còn khá đắt tiền và xa lạ với nhiều người, điều này chưa tương xứng với tiềm năng của công nghệ này có thể mang lại cho xử lý chất lỏng. Trong tương lại cần phát triển quy mô lẫn quy trình hệ thống để đáp ứng xử lý chất lỏng trong công nghiệp đặc biệt trong lĩnh vực xử lý chất thải nhà máy bảo vệ môi trường.
*TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, NXB ĐHQGTP Hồ Chí Minh, 2004.
2. Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy tập 1, 2 NXB Giáo dục, 1998.
3. Nguyễn Hữu Lộc, Bài tập chi tiết máy, NXB ĐHQGTP Hồ Chí Minh, 2003.
4. Nguyễn Hữu Lộc, Độ tin cậy trong thiết kế kỹ thuật , NXB ĐHQGTP Hồ Chí Minh, 2002.
