Thí nghiệm quá trình thiết bị - Khuấy chất lỏng - Bài 1

Nội dung text: Thí nghiệm quá trình thiết bị - Khuấy chất lỏng - Bài 1

1. Nội dung: 1. TRÍCH YẾU 2 2. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM: 2 3. THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: 5 4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM: 6 4.1. Số liệu thô 6 4.2. Xây dựng giản đồ Công suất khuấy – Vận tốc khuấy cho bồn nhớt 50m3 đồng dạng bồn nhớt thí nghiệm: 6 4.3. Đồ thị 7 5. BÀN LUẬN: 9 5.1. Ảnh hưởng của tấm chặn đến công suất khuấy: 9 5.2. Sự tiêu thụ năng lượng của từng loại cánh khuấy 10 5.3. Tại sao lại chọn khoảng cách giữa các vận tốc trong trường hợp khuấy dầu lớn hơn khuấy nhớt: 11 5.4. Trong trường hợp nào thì có xoáy phễu ? Xoáy phễu có lợi hay không. Có những phương án nào làm mất xoáy phễu ? Bề mặt của xoáy phễu lõm xuống hay lồi lên? Tại sao? 11 5.5. Nhận xét mức độ tin cậy của phương pháp đồng dạng.Phân tích trường hợp bồn “50m3” ở trên: 12 5.6. Chuyển giao giản đồ 13 6. PHỤ LỤC 13 7. TÀI LIỆU THAM KHẢO 14 1
2. P • Np : Chuẩn số công suất, vô thứ nguyên. N 3d 5 d2N • Re : Chuẩn số Reynolds của cánh khuấy, tỷ số giữa lực ly tâm & lực ma sát  N2d • Fr : Chuẩn số Froude, tỷ số giữa lực ly tâm & lực trọng trường, đặc trưng cho g sự hình thành xoáy phễu. d Z H • , , ,S1,S2 , là các thừa số hình dạng của hệ thống. Dt Dt Dt Trong đó :  P : Công suất khuấy (W).  N : Vận tốc cánh khuấy (1/s).  d : Đường kính cánh khuấy (m)  : Khối lượng riêng của chất lỏng khuấy (kg/m3).   : Độ nhớt động lực học chất lỏng khuấy (N/s.m). Như vậy vấn đề ước đoán công suất khuấy rất phức tạp vì cần biết rõ cả ảnh hưởng của hình dáng hệ thống. 2.3. Giản đồ công suất và các chuẩn số đặc trưng: Trên thực tế, người ta chỉ đo được ảnh hưởng của chuẩn số Reynolds và Froude trên chuẩn số công suất sau khi đã xác định các thừa số hình dạng. - Chuẩn số công suất: Ta có thể viết: P = Ff.v = J.A.v A ~ d2 v ~ dN Trong đó : •F f : Lực ma sát. • v : vận tốc lưu chất. • J : Hệ số ma sát. • A : Diện tích cánh khuấy vuông góc với phương chuyển động của dòng lưu chất. • d : Đại lượng chiều dài. P Jd3N J J Vậy P ~ ~ ~ (4) 0 d5N3 d5N3 d2N2 v2 Ta thấy chuẩn số công suất có ý nghĩa của một thốøa số ma sát. - Chuẩn số Reynolds cánh khuấy: Suy thẳng từ định nghĩa chuẩn số Re của dòng chảy khi thay vận tốc v bằng số vòng quay N 3
3. • Đồng dạng động lực học. Mô hình đồng dạng hoàn toàn đòi hỏi tất cả các chuẩn số vô thứ nguyên tương ứng bằng nhau. Khi cần thiết kế một hệ thống khuấy lớn cho công nghiệp, người ta thường tạo một mô hình nhỏ rồi đo thực nghiệm giản đồ công suất của mô hình này. Vì có đồng dạng hình học giữa hai hệ thống nhỏ và lớn nên giản đồ áp được cho cả hai và có thể dùng để tiên đoán công suất cũng như cường độ khuấy trong nhà máy: đây là nguyên tắc khuếch đại đồng dạng. Trong thực tế, nhiều khi rất khó thực hiện mô hình đồng dạng hoàn toàn, nếu hai hệ thống lớn nhỏ gần đống dạng nhưng có vài dị biệt thì ta có thể dùng hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm. Tuy nhiên bằng thực nghiệm người ta nhận thấy : N p f (Re) . Có 3 phương pháp xác định chuẩn số công suất Np • Xác định Np theo phương pháp giải tích : m • Xác định Np theo phương trình chuẩn số: N p C.Re , các giá trị C & m được xác định qua các bảng tra. • Xác định Np theo đồ thị (dùng giản đồ công suất). 2.5. Tiên đoán công suất trong các hệ thống thực: Khi cần thiết kế một hệ thống khuấy trộn trong công nghiệp, người ta tạo một mô hình mẫu nhỏ rồi xây dựng giản đồ chuẩn số công suất cho mô hình này. Mô hình mẫu phải đồng dạng với mô hình thực tế. Vì sự đồng dạng này mà mô hình lớn có thể dùng chung giản đồ của mô hình mẫu. Từ đó ta có thể tiên đoán công suất thực cần thiết. 3. THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: 3.1. Thiết bị TN : • 2 bình chứa dầu và nhớt • 2 cánh khuấy turbine CT2, CT3 & 1 cánh khuấy chân vịt CP2 • 1 trục gắn cánh khuấy • 1 bộ tấm chặn 4 tấm • 1 động cớ ¼ mã lực có thể thay đổi vận tốc 0 – 1200v/ph bằng hộp số • 1 lực kế lò xo có thang đo 0 – 2lbf • 1 vận tốc kế có 3 thang đo ( 0- 300; 0- 600; 0 – 1200v/ph) 3.2. Phương pháp TN: 3.2.1. Đo công công suất khuấy: Công suất khuấy P được tính bằng công thức: P 2 .r.F.N (10) Trong đó: r = 5 inch là khoảng cách từ vị trị gắn lò xo đến trục động cơ; F-lực ma sát giữa chất lỏng và cánh khuấy, N- số vòng quay cánh khuấy 3.2.2. Vận tốc khuấy N: Đọc trên vận tốc kế (v/ph) 5
4. 300 5.00 263.689 0.0189 10.730 0.1668 400 6.67 351.586 0.0252 17.543 0.6464 500 8.33 439.482 0.0315 30.536 2.1977 600 10.00 527.379 0.0378 49.710 6.1823 700 11.67 615.275 0.0441 75.065 14.8245 4.3. Đồ thị Np theo Re Dau-CT2 250.000 200.000 khong co tam chan 150.000 p N co tam chan 100.000 50.000 0.000 0 500 1000 1500 2000 Re 7
5. Np theo Re Nhot 12.000 -CP2 10.000 khong co tam 8.000 chan p N 6.000 co tam chan 4.000 2.000 0.000 0.000 500.000 1000.000 Re P-N 16.0000 14.0000 12.0000 10.0000 8.0000 P (W) 6.0000 P-N 4.0000 2.0000 0.0000 0.0000 0.0100 0.0200 0.0300 0.0400 0.0500 N(v/s) 5. BÀN LUẬN: 5.1. Ảnh hưởng của tấm chặn đến công suất khuấy: - Trong các thí nghiệm, ta luôn thấy với cùng một vận tốc khuấy, trường hợp lắp tấm chặn sẽ có chuẩn số công suất (hay công suất) khuấy cao hơn so với không lắp tấm chặn. - Lắp tấm chặn sẽ làm tăng trở lực cản trở dòng chảy xoáy tròn của chất lỏng trong bồn khuấy. Từ đó làm tăng lực ma sát của dòng chảy. Trong trường hợp có tấm chặn nếu dùng một công suất bằng với trường hợp không lắp tấm chặn thì do trở lực dòng chảy đó, vận tốc khuấy sẽ đạt giá trị thấp hơn. Vì vậy, để đảm bảo được vận tốc khuấy cần thiết, ta phải cung 9
6. khuấy CT vì thế nó tiêu thụ năng lượng thấp nhất. Có một điểm cần lưu ý là do cấu tạo như chong chóng, cánh khuấy CP2 sẽ làm tăng lực đẩy theo chiều trục, vì vậy nó sẽ tăng cường khuấy trộn dọc. 5.3. Tại sao lại chọn khoảng cách giữa các vận tốc trong trường hợp khuấy dầu lớn hơn khuấy nhớt: Trong cuốn hướng dẫn thí nghiệm : với nhớt có thể chọn vận tốc 200, 400, 600, 800 và 1000 vòng/phút; với dầu có thể chọn 50, 400, 700, 900, 1100 vòng/phút. Do độ nhớt của dầu nhỏ hơn nhiều so với nhớt, chỉ gần bằng phân nữa. Vì vậy lực ma sát đo được khi khuấy dầu sẽ nhỏ hơn khi khuấy nhớt. Nếu lấy khoảng vận tốc khuấy hai chất lỏng giống nhau thì khoảng cách giữa các lực đo được khi khuấy dầu sẽ nhỏ khó phân biệt. Vì vậy, khoảng cách vận tốc của thí nghiệm khuấy dầu phải lớn hơn thí nghiệm khuấy nhớt để tăng khoảng cách các lực ma sát đo được dễ đọc giá trị trên lực kế. 5.4. Trong trường hợp nào thì có xoáy phễu ? Xoáy phễu có lợi hay không. Có những phương án nào làm mất xoáy phễu ? Bề mặt của xoáy phễu lõm xuống hay lồi lên? Tại sao? Xoáy phễu xuất hiện khi lực ly tâm đủ lớn, vận tốc xoay của dòng lưu chất lớn sẽ tạo ra một trường lực cân bằng với trọng lực chất lỏng làm cho bề mặt phần chất lỏng phân bố theo dạng cong lõm. Dạng cong lõm của xoáy được giải thích theo 2 cách: + Theo giải tích: Mặt thoáng chất lỏng trong thiết bị là mặt cong được biểu diễn bởi phương trình: dz v 2 0 t dr rg B.N 2 .d 2 Trong đó: z0 – là độ sâu của phễu, z0 = h1 + h2; z 0 2g B- tham số phụ thuộc vào thông số phân bố tốc độ, 1 B = f( ) được biễu diễn trên đồ thị. h1-khoảng cách từ mực chất lỏng ban đầu đến đến đáy của lõm xoáy,m h2- mực chất lỏng dâng lên ở thành thiết bị,m Rõ ràng lấy tích phân của phương trình trên thì z0 = - f(vt , r, g, ) < 0, do vậy bề mặt của lõm xoáy (dạng parabol) sẽ lõm xuống. + Theo bản chất: lực ly tâm có xu hướng đem các phần tử chất lỏng từ tâm ra ngoài. Đến thành bình, chúng bị cản lại và ứ đọng tại đó. Vì vậy mật độ các phần tử chất lỏng ở tâm bình sẽ ít hơn ở ngoài thành bình vì vậy sẽ xuất hiện dạng lõm (do thiếu chất lỏng ở tâm bình khuấy). 11
7. 5.6. Chuyển giao giản đồ Sau khi xây dựng thành công bồn chứa 50m3, điều đầu tiên phải làm đó là làm thực nghiệm và lập nên giản đồ NP – Re. Sau đó đối chiếu với giản đồ thí nghiệm lí thuyết. Từ đó xác định các hệ số hiệu chỉnh. Sau khi đã làm xong những bước đó, ta đã có một giản đồ hoàn chỉnh và có thể dùng giản đồ đó để tính toán cho các thiết bị có dung tích lớn hơn dựa trên giản đồ hoàn chỉnh. Và giản đồ đã lập được có thể áp dụng để thiết kế các thiết bị công nghiệp và đưa vào sản xuất theo qui mô công nghiệp. Vì vậy đưa cho kỹ sư vận hành giản đồ cơng suất theo vận tốc. Kỹ sư vận hành chỉ quan tâm tới tổn hao năng lượng cho quá trình khuấy, khơng quan tâm tới chế độ thủy động lực học của bồn 6. PHỤ LỤC * Các thông số cần thiết: - Đường kính bình nhớt và dầu lần lượt : DN = 25cm, Dd = 29.5cm - Đường kính cánh khuấy: CT2 : d = 0.075cm; CT3 : d = 0.065cm ; CP2 : d = 0.075cm - Khối lượng riêng của nhớt và dầu lần lượt là: 3 3 N 852,15kg / m , d 811,75kg / m - Độ nhớt của nhớt và dầu lần lượt là:  N 90,89cP 0.09089Pa.s d 51,84cP 0.05184Pa.s - Chiều cao mực chất lỏng: nhớt :HN = 23.7cm; dầu : Hd= 26cm - Chiều cao mực chất lỏng từ đáy bình đến cánh khuấy : ZN = 10 cm; - Bề dày tấm chặn:  3mm, bề ngang tấm chặn : b = 2.5 cm. * Tính toán các giá trị: N(v / ph) N(v / s) 60 F(N) F(lbf ) 4.45 P Np N 3d 5 d2N Re  P 2 .r.F.N *Tính toán trường hợp bồn nhớt thực tế 50m3: D 2 - Thể tích bồn nhớt thí nghiệm: V H 0.01163m3 TN 4 VTT - Tỉ số đồng dạng hình học: l 3 16.26 VTN 3 Với VTT = 50m Đường kính bồn nhớt thực tế: DTT D l = 4.065m 13