Thí nghiệm quá trình thiết bị - Khuấy chất lỏng - Bài 3

Nội dung text: Thí nghiệm quá trình thiết bị - Khuấy chất lỏng - Bài 3

1. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Khuấy chất lỏng 1. TRÍCH YẾU : 1.1. Mục đích thí nghiệm: - Khảo sát giản đđồ chuẩn số công suất khuấy với nhiều hệ thống khuấy có hình dạng khác nhau. 1.2. Phương pháp: - Ta thực hiện khuấy 2 chất lỏng là dầu và nhớt bằng các cánh khuấy turbine (CT2, CT3) và chân vịt (CP2) ở các vận tốc khác nhau ứng với hai chế độ: có và không có tấm chặn. - Đo các giá trị lực ma sát (khi cánh khuấy quay, lực ma sát truyền lên cánh khuấy và làm cho động cơ quay trên ổ bi) ứng với từng trường hợp thí nghiệm. - Tính toán các giá trị công suất của động cơ, chuẩn số Re và chuẩn số công suất khuấy Np ứng với từng trường hợp, từ đó xây dựng các giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho các trường hợp thí nghiệm. 1.3. Kết quả thí nghiệm: Chú thích: d: đường kính cánh khuấy D: đường kính thùng khuấy H: chiều cao mực chất lỏng trong thùng khuấy Số liệu thô: dCT2 = 7.5 cm dCT3 = 6.5 cm dCP2 = 8 cm Dthùng nhớt = 24.5 cm Dthùng dầu = 28 cm Bảng 1: Lực ma sát khi khuấy nhớt với cánh khuấy turbine CT2 và CT3 F (lbf) N (vòng/ph) CT2 CT3 Thành trơn Có tấm chặn Thành trơn Có tấm chặn 200 0.03 0.02 0.02 0.02 0.03 0.03 0.02 0.03 400 0.06 0.06 0.05 0.05 0.04 0.03 0.03 0.04 600 0.12 0.08 0.08 0.08 0.05 0.05 0.05 0.06 800 0.16 0.14 0.10 0.10 0.07 0.08 0.08 0.07 1000 0.20 0.20 0.18 0.20 0.12 0.12 0.10 0.11 H = 23.5 cm H = 23.5 cm H = 23.2cm H = 23.5 cm Bảng 2: Lực ma sát khi khuấy nhớt với cánh khuấy chân vịt CP2 Trang 1
2. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Khuấy chất lỏng + Loại cánh khuấy turbine: Loại này dùng để khuấy chất lỏng có độ nhớt cao ( = 5.105 cP), để điều chế huyền phù mịn, để hòa tan nhanh chất rắn hoặc để khuấy trộn chất lỏng đã lắng cặn có nồng độ pha rắn đến 80%. + Loại cánh khuấy chân vịt: Dùng để điều chế huyền phù, nhũ tương. Loại cánh khuấy này dùng không thích hợp với chất lỏng có độ nhớt cao hoặc khuấy trộn hỗn hợp, trong đó pha rắn có khối lượng riêng lớn. Trong các hệ thống khuấy, một số yếu tố được quan tâm là: • Chọn cánh khuấy • Thời gian khuấy • Công suất tiêu tốn • Số vòng quay • Độ lớn của bề mặt truyền nhiệt. Trong bài thí nghiệm này ta sẽ xem xét về yếu tố công suất khuấy và tiên đoán công suất khuấy cho một hệ thống nhất định. 2.2. Phân tích thứ nguyên: Công suất khuấy P phụ thuộc: • Vận tốc của cánh khuấy N (vòng/s). Tam chan • Đường kính của cánh khuấy d (m). • Đặc tính của chất lỏng: độ nhớt  và khối lượng riêng . • Mức chất lỏng trong bình chứa H H (m). • Đường kính bình chứa Dt (m) và Z nhiều thừa số hình dạng khác (S1, S2 ) như loại cánh khuấy, hình dáng của bình chứa, số d tấm chắn Dt Như vậy, ta có quan hệ : P = f (N, d, , , D, H, Z, các kích thước hình học khác) Bằng phương pháp phân tích thứ nguyên, người ta thiết lập các phương trình chuẩn số tính công suất khuấy dưới dạng : 2 2 P d .N. N .d d Z H = f* , , , , , (1) N 3 .d 5 .  g D D D hay là: P = f (ReK, Frk, , Euk ) Trong đó: P •N P = : chuẩn số công suất, có ý nghĩa của một thừa số ma sát. Nó N 3 .d 5 . phụ thuộc vào chế độ thủy động lực học trong thiết bị. Trang 3
3. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Khuấy chất lỏng lên NP. Ví dụ như chuẩn số Fr thường chỉ được tính đến khi mặt thoáng chất lỏng không còn ở dạng phẳng do ảnh hưởng của tốc độ quay. Do đó ta vẽ đồ thị quan hệ giữa NP và Re, bỏ qua ảnh hưởng của Fr. Đồ thị mô tả đó gọi là giản đồ công suất khuấy. Ta có ví dụ về giản đồ công suất khuấy như hình. 2.4. Tiên đóan công suất cho các hệ thống thực: Khi cần thiết xây dựng một hệ thống khuấy trộn công nghiệp, người ta thường tạo những mô hình mẫu nhỏ rồi xây dựng giản đồ công suất cho các hệ thống này. Mô hình mẫu phải đồng dạng với các mô hình thực tế và do đó, ta có thể dùng chung giản đồ công suất của mô hình nhỏ cho mô hình lớn. Từ đó, ta có thể tiên đoán công suất khuấy trộn cần thiết. 3. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: 3.1. Dụng cụ và thiết bị: - 2 bình chứa dầu và nhớt. - 2 cánh khuấy turbine CT2 (lớn), CT3 và 1 cánh khuấy chân vịt CP2. - 1 trục gắn cánh khuấy. - 1 bộ tấm chặn 4 tấm. - 1 động cơ ¼ mã lực có thể thay đổi được vận tốc từ 0 đến 1200 vòng/phút (rpm) bằng hộp số. Động cơ được đặt trên ổ bi. - 1 lực kế lò xo có thang đo từ 0 đến 2 lbf. - 1 vận tốc kế có 3 thang đo hoạt động theo nguyên tắc điện từ (0 – 300 rpm, 0 – 600 rpm, 0 – 1200 rpm). 3.2. Phương pháp thí nhiệm: 3.2.1 Phương pháp đo: a. Công suất khuấy: Khi cánh khuấy quay, lực ma sát truyền lên cánh khuấy và làm cho động cơ quay trên ổ bi. Ta gắn lò xo lực kế vào động cơ để hãm nó lại, đọc số đo trên lực kế. Số đo này chính là độ lớn của lực ma sát F giữa chất lỏng và cánh khuấy. Công sinh ra khi điểm đặt lò xo chuyển động tương đối một khoảng ds: dA = Fds Khi chuyển động trọn một vòng: 2 r A Fds F.2 .r 0 với r là khoảng cách từ vị trí gắn lò xo đến trục động cơ. Trong hệ thống thí nghiệm này, r = 5 inch. Công suất của động cơ: A 1 P với T là thời gian động cơ quay hết một vòng. T N Như vậy: P = 2 FrN (W) Trang 5
4. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Khuấy chất lỏng 4.5 Np Thành trơn 4 Tấm chặn 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 Re Hình 1 Đồ thị chuẩn số công suất khuấy nhớt cánh khuấy CT2 12 Thành trơn Np Tấm chặn 10 8 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Re Hình 2 Đồ thị chuẩn số công suất khuấy nhớt cánh khuấy CT3 Trang 7
5. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Khuấy chất lỏng Ghi chú: Do trong quá trình thực hiện quá trình khuấy, khi vận tốc khuấy tăng đến 1000 rpm xảy ra hiện tượng động cơ rung mạnh nên khi khuấy dầu với cánh khuấy CT2 không đo F ma sát ở 1100 rpm, và thêm giá trị 200 rpm trong quá trình đo. 45 Np Thành trơn 40 Tấm chặn 35 30 25 20 15 10 5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 Re Hình 4 Đồ thị chuẩn số công suất khuấy dầu cánh khuấy CT2 4.2. Thiết kế bồn chứa nhớt 50m3 với loại cánh khuấy CT3, có tấm chặn: Số liệu trong thực nghiệm khi khuấy ở với cánh khuấy CT3, có tấm chặn. - Đường kính bể DTN = 0.245 m - Chiều cao mực chất lỏng HTN = 0.235 m - Đường kính cánh khuấy dTN = 0.065 m Thiết kế bể chứa có thể tích 50 m3 bằng phương pháp đồng dạng hình học. TN: thực nghiệm TK: thiết kế 2 VTK DTK HTK - Ta có : VTN DTN HTN 2 0.245 3 - Với VTN 0.235 0.011079 m 2 50 D 2 H TK TK 0.011079 0.2452 0.235 Trang 9
6. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Khuấy chất lỏng Câu 1 : Nhận xét ảnh hưởng của tấm chặn đến công suất khuấy.  Trường hợp cánh khuấy CT2: o Khuấy nhớt: Trong các giá trị vận tốc khảo sát, công suất khuấy có tấm chặn luôn nhỏ hơn công suất khuấy khi thành trơn. o Khuấy dầu: Khi N CT3 > CP2 Thành trơn: CP2 > CT2 > CT3 Ở thiết bị có tấm chặn: Với cánh khuấy chân vịt độ tiêu tốn năng lượng là ít nhất so với hai lọai cánh khuấy turbine. Trong cùng cánh khuấy turbine, thì CT2 tiêu tốn nhiều hơn CT3. Nguyên nhân là do hình dạng của hai lọai cánh khuấy. Cánh khuấy turbine có cấu tạo hình mái chèo làm tăng ma sát giữa chất lỏng và cánh khuấy, trong khi đó, chân Trang 11
7. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Khuấy chất lỏng  Để biết trong trường hợp nào thì có xoáy phễu, ta hãy xem xét đồ thị mô tả sự phụ thuộc giữa chuẩn số công suất khuấy và Rek sau: Ta thấy đồ thị có 4 phần: AB (Rek 300): đặc trưng cho phạm vi chảy xoáy nhưng không xuất hiện xoáy phễu (do có dùng biện pháp chống xoáy phễu). EF (Rek > 300): cũng thuộc phạm vi chảy xoáy nhưng có xuất hiện xoáy phễu.  Xoáy phễu là có hại vì: - Sự tạo phễu ảnh hưởng không tốt đến quá trình khuấy. Từ phễu khí có thể xâm nhập vào môi trường lỏng làm giảm hiệu quả của quá trình khuấy (ta xét khuấy chất lỏng), đồng thời cánh khuấy chịu tác dụng của lực phụ làm tăng công suất khuấy. - Ngoài ra các chất lỏng đem khuấy thường có tính chất vật lý khác nhau (độ nhớt, khối lượng riêng), nên dưới tác dụng của trường lực ly tâm có thể xuất hiện khả năng phân ly (phân lớp) của các chất lỏng, làm giảm hiệu quả của quá trình khuấy (mục đích của khuấy là làm giảm sự không đồng nhất, sự phân lớp của các chất).  Những phương pháp làm mất xoáy phễu: Đặt lệch tâm cánh khuấy vào bể khuấy, đặt nghiêng hoặc nằm ngang: nhằm làm cho những xoáy phễu được tạo thành lệch tâm sẽ va đậm vào thành và dội ngược trở lại, phá vỡ lõm xoáy mà không làm tăng diện tích tiếp xúc, tăng lực ma sát và tăng công suất động cơ. Ghép thanh chắn trong thùng khuấy: có chung nhược điểm là tăng diện tích tiếp xúc làm tăng lực ma sát và công suất của động cơ, gồm có: • Ghép tấm chặn ở thành thùng. • Đặt ống tuần hoàn trung tâm. • Đặt các ống thẳng đứng trong thùng (ống dẫn chất lỏng, nhiệt kế ) Trang 13
8. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Khuấy chất lỏng Do đó, khi đem mô hình gần đúng áp dụng vào hệ thống thực, ta cần có những hệ số hiệu chỉnh.  Phân tích trường hợp “bồn nhớt 50m3” ở trên: Trong trường hợp này, ta đã xây dựng bồn nhớt theo tiêu chuẩn đồng dạng hình học (kích thước tỷ lệ) và đồng dạng động học (căn cứ trên đồ thị Np – Re) để xác định công suất khuấy. Nhưng cũng như đã phân tích phía trên, có nhiều yếu tố không được thỏa mãn nên mô hình này chỉ là đồng dạng gần đúng. Câu 6: Sau khi xây dựng thành công bồn 50m3 đó rồi, chúng ta chuyển sang giai đoạn chuyển giao công nghệ. Nếu được yêu cầu bạn sẽ đưa cho kỹ sư vận hành thiết bị giản đồ nào, chuẩn số công suất hay công suất theo vận tốc. Sau khi xây dựng thành công bồn 50m3, chuyển sang giai đoạn chuyển giao công nghệ, nếu được yêu cầu, ta sẽ đưa cho kỹ sư vận hành thiết bị giản đồ công suất theo vận tốc. Bởi vì người kỹ sữ vận hành thiết bị chỉ quan tâm đến công suất khuấy ứng với từng vận tốc khuấy, tức là quan tâm đến hao tổn năng lượng cho quá trình khuấy chứ không quan tâm đến chuẩn số công suất khuấy. Từ đó họ có thể chọn vận tốc khuấy thích hợp cũng như trong thiết kế máy. Giúp tiết kiệm chi phí năng lượng trong quá trình sản xuất, giảm công suất khuấy vô ích, tăng công suất khuấy có ích. 6. PHỤ LỤC : 6.1. Tính công suất khuấy: P=2 F.r.N (W) Với: r : khỏang cách từ vị trí gắn lò xo đến trục động cơ. r = 0.127 m Fr: chuẩn số Froude N: vận tốc cách khuấy (vòng/s) 6.2. Tính Reynold: d 2 N Re =  Với: d: đđường kính cánh khuấy (m) : khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3)  : đđộ nhớt của chất lỏng (Pa.s) d(CT2) = 7.5 cn d(CT3) = 6.5 cm d(Cp2) = 8 cm Nhớt: = 852.15 kg/m3  = 90.89 cP Dầu: = 811.75 kg/m3  = 51.84 cP 6.3. Tính chuẩn số công suất: Trang 15