TÌm hiểu hiện tượng xâm thực trong bơm ly tâm

TÌM HIỂU VỀ HIỆN TƯỢNG XÂM THỰC CỦA BƠM LY TÂM Phần 1: Tổng quan bơm ly tâm I Khái quát bơm ly tâm: Bơm ly tâm dịng máy bơm cơng nghiệp thủy lực cánh dẫn Máy hoạt động dựa nguyên tắc lực ly tâm, phối hợp lưu lượng, áp suất, tần suất trọng lực trọng lượng riêng chất lỏng tạo động năng, khiến dòng chất lỏng chuyển động Máy bơm ly tâm có ưu điểm bật lưu lượng lớn, sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp hóa chất xảy xung đột đường ống Máy có trọng lượng nhẹ so với dịng piston, giúp máy kết nối dễ dàng với động cao mà không cần hộp giảm tốc Cấu tạo bơm: Cấu tạo máy bơm ly tâm đơn giản, gồm có phận: đầu bơm, động cơ, bánh xe công tác, trục bơm, mắt hút, phận hướng dẫn vào Khi muốn di chuyển máy bơm tách rời phận bơm để việc di chuyển dễ dàng hơn: - Đầu bơm: thường có chất liệu gang, có tác dụng bảo vệ chi tiết bên máy - Động điện: cung cấp lượng cho máy hoạt động - Bánh xe cơng tác: Có dạng kết cấu cánh mở hoàn toàn, cánh mở phần cánh kín Bánh xe thường làm gang thép - Trục bơm: Có chất liệu thép hợp kim, kết nối với bánh xe công tác thông qua mối ghép then - Mắt hút: Là vùng chân khơng, có tác dụng đẩy nước cánh quạt - Ngoài ra, máy cịn có phận hướng dẫn vào phận hướng dẫn II Thông số vật lí bơm li tâm: 1.Lưu lượng: Là lượng chất lỏng mà bơm vận chuyển đơn vị thời gian, tính theo lưu lượng thể tích Q (l/s, m3 /s, m3 /h ) hay lưu lượng trọng lượng G (N/s, N/h, kG/s ) Lưu lượng máy bơm tính tốn tổng lưu lượng đơn vị tiêu thụ nước thành phần sau: Qbơm = Ʃqi Cột áp: Là lượng mà đơn vị trọng lượng chất lỏng nhận từ máy bơm Ký hiệu cột áp H, đơn vị tính thường mét cột chất lỏng .Theo ta có cơng thức tính: H = Hđh + Hv + Hf Trong đó: + Hđh = Cột áp nước thực tế = Mực nước bể xả - Mực nước bể hút; + Hv = tổn thất thủy lực dọc tuyến ống; + Hf = tổn thất cục Công suất: Công suất thủy lực: mà chất lỏng trao đổi với máy đơn vị thời gian, ký hiệu 𝑁𝑡𝑙 𝑁𝑡𝑙 = 𝜌 𝑔 𝑄 𝐻 𝛾 𝑄 𝐻 = 1000 1000 với : • 𝛾 : trọng lượng riêng chất lỏng (N/m3 ) •  : khối lượng riêng chất lỏng (kg/m3 ) • Q: lưu lượng bơm (m3 /s) • H: cột áp tồn phần máy bơm (m) - Công suất làm việc: công suất trục máy làm việc, ký hiệu N 𝑁= 𝑁𝑡𝑙 𝜂 Với: 𝜂 hiệu suất làm việc bơm III Phương trình làm việc bơm ly tâm 1.Phương trình cột áp lý thuyết: - Ứng dụng định lý học biến thiên mômen động lượng dòng chất lỏng chuyển động qua bánh công tác, nhà bác học Ơle thành lập phương trình cột áp lý thuyết bơm ly tâm: 𝑢2 𝑐2𝑢 − 𝑢1 𝑐1𝑢 𝐻∞ = 𝑔 Trong đó: • H: Là cột áp lý thuyết bơm có số cánh dẫn vơ hạn • 𝑢1 , 𝑢1 : Vận tốc vịng bánh cơng tác ứng với bán kính vào ra, có phương thẳng góc với phương hướng kính • 𝑐1𝑢 , 𝑐2𝑢 : Thành phần vận tốc tuyệt đối phần tử chất lỏng lối vào bánh công tác chiếu lên phương vận tốc vòng 2.Cột áp thực tế: - Trong thực tế cánh dẫn bánh công tác có chiều dày định số cánh dẫn hữu hạn, gây lên phân bố vận tốc không mặt cắt dòng chảy, tạo dịng xốy dịng quẩn máng dẫn - Cột áp thực tế bơm ly tâm tính theo cơng thức: 𝑢2 𝑐2𝑢 𝐻 = 𝜀𝑧 𝜂𝐻 𝑔 Trong đó: • 𝜀𝑧 : hệ số ảnh hưởng số cánh dẫn hữu hạn đến cột áp • 𝜂𝐻 : hệ số kể tới tổn thất lượng dòng chất lỏng chuyển động qua bánh công tác IV.Hiệu suất bơm ly tâm yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất Trong thực tế máy bơm làm việc động động truyền cho máy bơm phẩn chuyển thành cho chất lỏng: lưu lượng cột áp, phần bị tiêu hao tổn thất thủy lực dò rỉ máy bơm Hiệu suất tồn phần bơm xác định theo cơng thức: 𝜂= 𝑁𝑐𝑡 𝑁 Trong đó: N cơng suất làm việc Bằng lý thuyết thực nghiệm người ta nhận thấy hiệu suất toàn phần máy bơm phụ thuộc: Tổn thất thể tích, tổn thất thủy lực, tổn thất khí 𝜂 = 𝜂𝑡𝑡 𝜂𝑡𝑙 𝜂𝑐𝑘 Phần 2: Hiện tượng xâm thực I Khái niệm: Xâm thực chất tượng hình thành bọt khí chất lỏng Nó hệ q trình tác động lực vào chất lỏng Xâm thực thường xảy chất lỏng chịu thay đổi áp suất khoảng thời gian ngắn gây hình thành lỗ sâu chất lỏng, nơi áp suất tương đối thấp Khi chịu áp lực cao hơn, bọt khí nổ tung tạo sóng xung kích cực mạnh Việc lặp lặp lại bọt khí bị vỡ tung ảnh hưởng lớn tới bề mặt kim loại Gây hao mịn, hỏng hóc, thường nhìn thấy rõ bơm cánh quạt, tua bin máy bơm nơi xảy thay đổi đột ngột theo hướng chất lỏng Sóng xung kích hình thành nổ tung bọt khí gây thiệt hại đáng kể cho phận chuyển động Xâm thực thường tượng khơng mong muốn Nó thường đặc biệt tránh thiết kế máy tuabin cánh quạt, loại bỏ xâm thực lĩnh vực nghiên cứu động lực học chất lỏng - Giai đoạn đầu: giai đoạn tạo thành bọt khí khơng khí tách từ mơi trường chất lỏng bốc chất lỏng áp suất môi trường giảm tới áp suất bão hoà - Giai đoạn hai: giai đoạn bọt khí ngưng tụ đốt ngột vùng mơi trường có áp suất cao Nước có nhiệt độ áp suất bão hoà bảng sau: - Để bơm làm việc an tồn ( khơng xảy xâm thực), áp suất làm việc chất lỏng bơm phải lớn áp suất bão hòa chất lỏng 𝑝 𝑝𝑏ℎ > 𝛾 𝛾 II Cột áp hút bơm: Cột áp hút: - Bất kỳ loại bơm làm việc có hai trình hút đẩy chất lỏng Khả làm việc bơm khơng phải phụ thuộc vào q trình đẩy mà cịn phụ thuộc vào q trình hút bơm, trình hút chất lỏng bơm, bánh công tác phải tạo độ chênh áp suất định miệng hút bơm mặt thoáng: 𝑝0 − 𝑝1 = 𝐻ℎ 𝛾 - Trong đó: 𝐻ℎ gọi cột áp hút 𝑝0 áp suất bề mặt thoáng bể hút 𝑝1 áp suất dòng chất lỏng tiết diện vào bơm -Khi 𝑝0 = 𝑝𝑎 𝑝𝑎 −𝑝1 𝛾 = 𝐻𝑐𝑘 ( gọi cột áp hút chân không lối vào bơm) - Viết phương trình Becbuli cho tiết diện 0-0 I-I (chấp nhận mặt phẳng so sánh 0-0,cho mực nước nguồn giữ không đổi, Co=0) dạng: • • • - 𝑝0 𝑝1 𝑉1 = + + 𝑍1 + ∑ ℎℎ 𝛾 𝛾 2𝑔 V1 – vận tốc dòng chảy tiết diện I-I Z1 – khoảng cách từ trục tới mặt thoáng ∑ ℎℎ - tổn thất áp suất đường ống hút Trong trường hợp khoảng cách từ điểm X (p,v) điểm cao mép vào cánh so với trục (Z=Zx -Z1 ) nhỏ, ta coi Z1=Zh Khi ta có: 𝑝0 −𝑝1 𝛾 = 𝑉1 2𝑔 + 𝑍ℎ + ∑ ℎℎ (1) >> ứng dụng cột áp hút sau • Khắc phục chiều cao 𝑍ℎ ống hút • Khắc phục tổn thất ∑ ℎℎ 𝑡𝑟ê𝑛 đườ𝑛𝑔 ố𝑛𝑔 ℎú𝑡 • Tạo động cần thiết cho dòng chảy lối vào bơm 𝑉1 2𝑔 - Từ cơng thức áp suất 𝑝0 có giới hạn cột áp hút 𝐻ℎ có giới hạn: 𝑝𝑎 − 𝑝1 𝑁ế𝑢 𝑝0 = 𝑝𝑎 𝑡ℎì 𝐻ℎ = 𝐻𝑐𝑘 = 𝛾 𝑝𝑎 𝑁ế𝑢 𝑝1 = 𝑡ℎì 𝐻ℎ 𝑚𝑎𝑥 = = 10 𝑚 𝑐ộ𝑡 𝑛ướ𝑐 𝛾 - Tuy nhiên, thực tế khơng có p1=0, áp suất giảm tới mức đó, p1=pbh chẳng hạn, chất lỏng bốc gây tượng xâm thực bơm Vì mà cột áp hút max nhỏ 10m cột nước 𝑝𝑎 𝐻ℎ 𝑚𝑎𝑥 < = 10𝑚 𝑐ộ𝑡 𝑛ướ𝑐 𝛾 Sự chuyển động dòng trường hợp bị xâm thực thể sơ đồ (hình a) Giới hạn bị xâm thực thể đường đứt đoạn Các điểm A cho ta biết nới cánh bị phá hủy nhiều thường tượng xâm thực hay xảy phía lõm đầu vào cánh, đầu hút bơm, có sinh đầu đẩy dòng bị đứtvà tách khỏi bề mặt khoang chèn chỗ bị ngoặt đột ngột 2.Cột áp hút dư chiều cao cho phép - Cột áp hút dư bơm độ chênh lượng dòng chảy lối vào bơm lượng dòng chảy ứng với áp suất bão hoà chất lỏng Theo định nghĩa ta viết: 𝐻ℎ𝑑 𝑝𝑏ℎ 𝑝1 − 𝑝𝑏ℎ 𝑉1 = 𝐸1 − = + (1) 𝛾 𝛾 2𝑔 𝑝0 − 𝑝1 𝑉1 = + 𝑍ℎ + ∑ ℎℎ (2) 𝛾 2𝑔 Giải (1) (2) ta được: 𝐻ℎ𝑑 = 𝑝0 − 𝑝𝑏ℎ − 𝑍ℎ − ∑ ℎℎ 𝛾 - Ứng với cột áp hút dư nhỏ 𝐻ℎ𝑑 𝑚𝑖𝑛 , ta có chiều cao hút cực đại 𝑍ℎ 𝑚𝑎𝑥 : 𝑍ℎ 𝑚𝑎𝑥 = 𝑝0 − 𝑝𝑏ℎ − 𝐻ℎ𝑑 𝑚𝑖𝑛 − ∑ ℎℎ 𝛾 → Chiều cao hút cho phép bơm phải nhỏ chiều cao hút cực đại lượng dự trữ cần thiết để bơm làm việc không xảy xâm thực tính theo cơng thức: 𝑝0 − 𝑝𝑏ℎ [𝑍ℎ ] = − 𝜑𝐻ℎ𝑑 𝑚𝑖𝑛 − ∑ ℎℎ 𝛾 Trong đó:  - gọi hệ số dự trữ, phụ thuộc vào điều kiện xâm thực bơm, giá trị  = 1,2-1,3 - Cột áp hút dư cực tiểu 𝐻ℎ𝑑 𝑚𝑖𝑛 xác định thực nghiệm, phụ thuộc vào áp suất mặt thoáng chất lỏng chứa bể hút p0 áp suất bão hoà chất lỏng pbh, vào chiều cao hút Zh , vào tổn thất cột áp đường ống hút ∑ ℎℎ => tức phụ thuộc vào điều kiện hút bơm Cột áp hút dư cực tiểu cịn có ý nghĩa cột áp dự trữ chống xâm thực bơm Cột áp hút chân không cho phép chiều cao hút cho phép bơm - Ta có: 𝑝0 = 𝑝𝑎 𝐻𝑐𝑘 = 𝑝𝑎 − 𝑝1 𝛾 𝑝0 − 𝑝1 𝑉1 = + 𝑍ℎ + ∑ ℎℎ = 𝐻𝑐𝑘 (∗) 𝛾 2𝑔 𝑝0 − 𝑝𝑏ℎ 𝑍ℎ = − 𝐻ℎ𝑑 − ∑ ℎℎ (∗∗) 𝛾 Thay (**) vào (*) ta được: 𝐻𝑐𝑘 𝑉1 𝑝0 − 𝑝𝑏ℎ = + − 𝐻ℎ𝑑 2𝑔 𝛾 - 𝐻ℎ𝑑 𝑚𝑖𝑛 𝐻𝑐𝑘 𝑚𝑎𝑥 nên cột áp hút chân không cho phép: 𝑉1 𝑝0 − 𝑝𝑏ℎ [𝐻𝑐𝑘 ] = + − 𝜑𝐻ℎ𝑑 𝑚𝑖𝑛 2𝑔 𝛾 - Ta xác định chiều cao hút cho phép bơm: 𝑉1 [𝑍ℎ ] = [𝐻𝑐𝑘 ] − − ∑ ℎℎ 2𝑔 - [𝐻𝑐𝑘 ] xác định thực nghiệm cho tài liệu kỹ thuật bơm, xác định điều kiện chất lỏng làm việc nước nhiệt độ 20 0C áp suất khí pa =1at Điều kiện tương tự xâm thực hệ số xâm thực - Để rút điều kiện tương tự xâm thực hệ số xâm thực bơm, ta đưa thêm thông số chiều cao hút quy dẫn 𝑍𝑞𝑑 bơm Chiều cao hút quy dẫn bơm rút từ biểu thức xác định áp suất 𝑝1 lối vào bơm: 𝑝𝑎 −𝑝1 𝛾 = 𝑉1 2𝑔 + 𝑍ℎ + ∑ ℎℎ → 𝑍𝑞𝑑 𝑝𝑎 − 𝑝1 𝑉1 = − = 𝑍ℎ + ∑ ℎℎ 𝛾 2𝑔 Vì để đánh giá chất lượng xâm thực bơm người ta dung hệ số xâm thực 𝜎1 : 𝑝1 𝑉1 𝑝𝑏ℎ + − 𝛾 2𝑔 𝛾 𝜎1 = 𝑉1 2𝑔 III Ảnh hưởng tượng xâm thực 1.Ảnh hưởng đến vật liệu 10 Hãy xem xét hệ thống chất lỏng chảy Nếu áp suất hệ chất lỏng chảy nhỏ áp suất hơi, chất lỏng bắt đầu sơi hóa Các bong bóng hình thành hóa sau mang theo chất lỏng chảy Bong bóng đến vùng có áp suất cao sau xẹp xuống, tạo sóng xung kích Áp suất phát triển bong bóng xẹp đột ngột cao Bề mặt phía nơi bong bóng xẹp chịu áp suất cao Các ranh giới bề mặt liền kề phải chịu ứng suất cao bề mặt vật liệu bị xói mịn Cuối hình thành lỗ sâu bề mặt vật liệu Hiện tượng gọi tượng xâm thực Các nghiên cứu rằng, cần 1% khí lọt vào máy làm cột áp làm giảm hiệu vận hành bơm Đặc biệt gây thiệt hại nghiêm trọng cho phần cánh bơm, cánh quạt máy Kết hợp với việc để máy bơm chạy khơ thường xun dẫn đến hư hại phận khác máy Kim loại giòn bị phá hủy nhanh mạnh, chi tiết cịn bị phá hủy tác dụng hóa học gây gây hợp chất hữu chất khí hịa tan tách từ chất lỏng tượng có tính chất điện phân gây làm cho lớp bề mặt bị han gỉ Ảnh hưởng đến đường đặc tính bơm Thông số NPSH bơm hiểu cột áp đầu hút máy bơm Chúng có ý nghĩa quan trọng việc chọn lựa máy bơm Từ bơm hoả tiễn bơm ly tâm… Khi dịng chảy xuất bọt khí, bọt khí làm giảm lưu lượng bơm cách đột ngột, làm cho đường đặc tính đường đặc tính bơm thay đổi nhanh chóng thành đường cong kéo dài gần thẳng đứng • H: cột áp chưa xâm thực • H ′ : cột áp bị xâm thực • η: hiệu suất bơm chưa xâm thực 11 • η′ : hiệu suất bị xâm thực - Giai đoạn ban đầu bọt khí cịn cịn giới hạn khu diện tích hẹp, lưu lượng bơm chưa bị giảm nên đường đặc tính chưa bị thay đổi Khi bọt khí bắt đầu tăng lên dòng chảy lúc tiết diện dòng chảy giảm nhanh bọt khí tăng lên chiếm chỗ dòng chảy lưu lượng, cột áp, hiệu suất bơm giảm theo sau bơm ngừng hoạt động - Qua nghiên cứu người ta thấy độ giảm cột áp vượt q 3% lúc tượng xâm thực ảnh hưởng lớn đến đường đặc tính bơm Lúc lưu lượng bơm giảm nhanh sau bơm ngừng hoạt động IV Nguyên nhân dấu hiệu nhận biết: Nguyên nhân: Có nhiều nguyên nhân dẫn đến tượng xâm thực máy bơm Đó là: Do vị trí đặt máy bơm nước cao so với mực nước biển, máy bơm nước ly tâm sử dụng khu vực miền núi, Tây Nguyên dễ xảy tượng xâm thực so với khu vực đồng - Do nhiệt độ môi trường cao so với thiết kế nhà sản xuất khuyến cáo - Tốc độ dòng chảy qua máy bơm nước lớn dễ gây tượng xâm thực - Cột áp (cột nước) máy bơm nước đẩy thấp nguyên nhân làm giảm áp suất làm tạo bọt khí - Tổn thất đường ống đầu vào (ống hút) máy bơm nước lớn nguy bị tượng xâm thực cao - Thiết kế cánh bơm có ảnh hưởng đến tượng xâm thực máy bơm, bề mặt cánh gồ ghề, khơng nhẵn quay làm tạo bọt khí Mặt khác kiểu dáng cánh góp phần gây tượng máy bơm bị khí xâm thực Khi máy bơm hoạt động mà bị thay đổi hướng dòng chảy hay dừng máy đột ngột, làm phát sinh bọt khí va đập thủy lực làm cho dòng chảy bị tách khỏi cánh quạt máy bơm phát sinh bọt khí xâm thực Khi máy bơm bị xâm thực gây rung lắc khơng khắc phục, bọt khí có dòng chảy bị vỡ ra, làm tăng giảm áp lực có chu kỳ, tăng tần số dẫn đến tượng xâm thực nặng 12 Dấu hiệu nhận biết: Hiện tượng xâm thực máy bơm phổ biến, dễ dàng nhận thấy tình trạng máy bơm có bị xâm thực hay không: - Máy bơm nước bị xâm thực tạo tiếng ồn lớn khó chịu - Máy bị rung lắc mạnh, gãy đế bơm - Máy bơm tiêu hao nhiều điện mức bình thường - Lưu lượng nước đầu khơng ổn định giảm đột ngột Nếu máy bơm nước bị xâm thực hoạt động liên tục thời gian dài mà khơng bảo trì khắc phục, chắn máy bơm bị hỏng V.Cách khắc phục xâm thực bơm Phương án khắc phục: Khi chọn mua máy bơm nước cần tính dư cột áp chút Việc giúp cho máy hoạt động trạng thái có sẵn lượng nước dự trữ (Dh) Kiểm tra lại cánh quạt máy bơm nước, cần thiết phải gia công lại cánh cách sau đây: Các mép cánh bơm phải bo tròn dát mỏng, phần cánh dẫn nước vào bánh công tác phải làm nhẵn bề mặt Khi thay cánh bơm, khuyến cáo khơng tự ý thay cánh quạt có cấu tạo kiểu dáng khác với thiết kế ban đầu nhà sản xuất tạo Lựa chọn máy bơm nước theo thiết kế nhiệt độ chất lỏng cần bơm, đồng thời giảm nhiệt độ phòng chứa máy bơm để tượng xâm thực không xảy Khuyến khích lắp thêm rơ le nhiệt cho máy bơm nhằm tránh tình trạng máy bơm bị nóng, rơ le nhiệt có chế tự ngắt điện máy bơm bị nhiệt Giảm ma sát đường ống cách: tăng kích thước đường ống hút, giảm số lượng ren co, giảm chiều dài ống hút 13 14 ... nguyên nhân dẫn đến tượng xâm thực máy bơm Đó là: Do vị trí đặt máy bơm nước cao so với mực nước biển, máy bơm nước ly tâm sử dụng khu vực miền núi, Tây Nguyên dễ xảy tượng xâm thực so với khu vực... tượng xâm thực cao - Thiết kế cánh bơm có ảnh hưởng đến tượng xâm thực máy bơm, bề mặt cánh gồ ghề, khơng nhẵn quay làm tạo bọt khí Mặt khác kiểu dáng cánh góp phần gây tượng máy bơm bị khí xâm thực. .. Điều kiện tương tự xâm thực hệ số xâm thực - Để rút điều kiện tương tự xâm thực hệ số xâm thực bơm, ta đưa thêm thông số chiều cao hút quy dẫn