Thí nghiệm quá trình thiết bị - Khuấy chất lỏng - Bài 2

Nội dung text: Thí nghiệm quá trình thiết bị - Khuấy chất lỏng - Bài 2

1. Thí nghiệm QT-TB GVHD: Cô Nguyễn Thị Như Ngọc Bài: Khuấy chất lỏng 1.TRÍCH YẾU 1.1. Mục đích : Khảo sát giản đồ chuẩn số công suất khuấy Np với nhiều hệ thống có hình dạng khác nhau. 1.2. Phương pháp TN: ➢ Đo lực ma sát F bằng cách đọc chỉ số trên lực kế sau mỗi giá trị vận tốc khuấy N. ➢ Tính công suất cánh khuấy. ➢ Tính chuẩn số Reynold. ➢ Tính chuẩn số công suất . ➢ Vẽ giản đồ thể hiện quan hệ giữa Re & Np – gọi là giản đồ chuẩn số công suất ( khi đã bỏ qua ảnh hưởng của chuẩn số Froude) cho 2 hệ thống đồng dạng là bình dầu & bình nhớt . 1.3. Kết quả thí nghiệm: - Sau khi thí nghiệm, đo đạc và tính toán ta thu được 4 giản đồ chuẩn số công suất khuấy (Np) theo chuẩn số Re cho từng trường hợp chất lỏng là nhớt và dầu (Đồ thị phần 4.4) - Ơû tất cả các trường hợp, vận tốc khuấy đều dưới 1100 vòng/phút. Trên 1100 vòng/phút, máy bị lắc mạnh. - Nhận xét kết quả TN: • Trong trường hợp có tấm chặn thì chẩn số công suất luôn lớn hơn trong trường hợp không có tấm chặn. Nghĩa là công suất tiêu hao P cho khuấy có tấm chặn lớn hơn khi không có tấm chặn với cùng một giá trị vận tốc khuấy. • Khuấy dầu dễâ tạo lõm xoáy hơn khi khuấy nhớt. Trang 1 1
2. Thí nghiệm QT-TB GVHD: Cô Nguyễn Thị Như Ngọc Bài: Khuấy chất lỏng 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 thùa 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 D.v. d2 .N. Re (5)   - Chuẩn số Froude: Là tỉ số giữa lực ly tâm và gia tốc trọng trường d.N2 v2 Fr (6) g d.g Chính quân bình giữa hai lực này tạo nên xoáy lốc hình phễu. Xoáy lốc này gây ra lực phụ tác dụng ngang lên trục khuấy, lực này sẽ rất lớn nếu độ sâu xoáy phễu lớn hơn độ sâu cánh khuấy tính từ mặt thoáng chất lỏng và khi đó khí sẽ lọt vào chất lỏng làm giảm đáng kể hiệu suất khuấy. Sự tạo phễu còn gây sự đảo, lắc trục khuấy nếu trục khuấy không được lắp đặt chính tâm. Vận tốc khuấy càng cao thì khả năng tạo xoáy phễu càng lớn, để khắc phục hiện tượng này, người ta bố trí những tấm chặn để ngăn cản sự tạo phễu, khi này hiệu suất khuấy tăng lên nhưng công suất cánh khuấy cũng tăng lên do sức cản khuấy tăng. - Nếu lực ly tâm nhỏ (Re < 300) thì chuẩn số Fr chưa đáng kể (gần bằng số không)và công suất khuấy trong trường hơp có tấm chắn và không có tấm chắn là như nhau, xoáy lốc chưa xuất hiện. - Ở chuẩn số Re cao trong bình không có tấm chắn người ta gộp ảnh hưởng của chuẩn số Fr vào chuẩn số công suất qua định nghĩa của chuẩn số công suất hiệu chỉnh: Trang 3 3
3. Thí nghiệm QT-TB GVHD: Cô Nguyễn Thị Như Ngọc Bài: Khuấy chất lỏng 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 trọn 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) 3.3. Nội dung TN (1) Chọn lưu chất dầu hay là nhớt để tiến hành TN (2) Chọn cánh khuấy turbine (CT2 hay CT3) hay c ánh khuấy chân vịt CP2 lắp vào trục khuấy (3) Đôi với nhớt điều chỉnh tốc độ khuấy là 200,400,600,800,1000. Còn đối với dầu thì chọn tốc độ khuấy là 50,400,700,900,1100 vòng/phút * Chú ý khi tiến hành TN : • Không nên chạy máy quá 1100vòng/phút máy sẽ rung, nguy hiểm • Khi đọc vận tốc luôn thử để vận tốc kế ở thang 0 -1200prm trước. Nếu thấy chưa đủ chính xác thì mới giảm xuống thang đo nhỏ hơn . Tránh để kim chỉ nhảy quá mức tối đa của thang đo. Trang 5 5
4. Thí nghiệm QT-TB GVHD: Cô Nguyễn Thị Như Ngọc Bài: Khuấy chất lỏng 150 0.045 250 0.05 350 0.055 4.3. Xây dựng giản đồ Công suất khuấy – Vận tốc khuấy cho bồn nhớt 50m3 đồng dạng bồn nhớt thí nghiệm: Đường kính bồn nhớt thực tế: D = 4.3m Chọn loại cánh khuấy mái chèo đồng dạng với cánh khuấy CT3 có đường kính d = 1.14 m Vận tốc khuấy P Re Np (vòng/s) (W) 0.008 100 4.5 0.00408 0.016 200 4.2 0.03048 0.025 300 4.2 0.10285 0.041 500 4 0.4535 4.4. Đồ thị Np Giản đồ Np - Re - chat long: nhot - = 852.15 kg/m3 - = 98.89 cp - canh khuay CT2 khong co tam chan co tam chan Re Trang 7 7
5. Thí nghiệm QT-TB GVHD: Cô Nguyễn Thị Như Ngọc Bài: Khuấy chất lỏng Np Giản đả Np - Re - chat long: dau - = 811.75 kg/m3 - = 51.84 cp - canh khuay CT2 khong co tam chan co tam chan Re P(W) Đồ thị công suất – vận tốc - Chất lỏng : Nhớt = 852.15 kg/m3 khuấy  = 98.89 cP - Cánh khuấy đồng dạng CT2 có d = 1.14m N(vong/s) Trang 9 9
6. Thí nghiệm QT-TB GVHD: Cô Nguyễn Thị Như Ngọc Bài: Khuấy chất lỏng Trong thí nghiệm, ta thấy - Cánh khuấy CT2 tiêu thụ năng lượng lớn hơn cánh khuấy CT3, thể hiện ở chỗ công suất khuấy lớn hơn. Vì: cánh khuấy CT2 có đường kính 3 inch, cánh khuấy CT3 có đường kính 2.5 inch diện tích bề mặt vuông góc vận tốc dài cánh khuấy của cánh khuấy CT3 lớn hơn. - Cánh khuấy CP2, tuy có đường kính bằng với cánh khuấy CT3, tuy nhiên cấu tạo của nó có dạng chong chóng, phần tiết diện vuông góc với vận tốc dài của nó bé hơn cả cánh khuấy CT3 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. 3. 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; với dầu có thể chọn 50, 400, 700, 900, 1100. 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. Khi làm thí nghiệm, vận tốc chọn với nhớt 100, 200, 300, 400; với dầu 50, 150, 250, 350. Khoảng cách giữa vận tốc khi đo với dầu và nhớt không chênh lệch nhau nên đọc giá trị rất khó. Biên độ dao động của lực kế rất nhỏ và hầu như không khác biệt nhau lắm ở mỗi mức vận tốc (với dầu). 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. Trang 11 11
7. Thí nghiệm QT-TB GVHD: Cô Nguyễn Thị Như Ngọc Bài: Khuấy chất lỏng Trong mô hình sản xuất công nghiệp, yêu cầu năng suất được đặt lên hàng đầu và công suất khuấy trộn lớn hơn rất nhiều so với thí nghiệm. Theo thí nghiệm trên Re của chất lỏng là rất nhỏ so với thực tế. Vì vậy, để có thể tính toán cho hệ thống thực nghiệm yêu cầu ta phải làm thí nghiệm ở điều kiện có Re cao hơn rất nhiều so với thí nghiệm ( vận tốc khuấy trộn lớn). 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. VI. PHỤ LỤC * Các thông số cần thiết: - Đường kính bình nhớt và dầu lần lượt : DN = 24cm, Dd = 30cm - Đường kính cánh khuấy: CT2 : d = 3 inch; CT3 : d = 2,5 inch; CP2 : d = 3 inch - 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 = 16cm; dầu : Hd= 25cm - 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: Trang 13 13
8. Thí nghiệm QT-TB GVHD: Cô Nguyễn Thị Như Ngọc Bài: Khuấy chất lỏng Trang 15 15