Tổng quan hệ thống bơm chất lỏng, cấu tạo bơm
Giới thiệu chung về hệ thống máy bơm
Bơm là thiết bị thủy lực có chức năng hút và đẩy chất lỏng giữa các vị trí khác nhau Để chất lỏng di chuyển qua hệ thống ống, bơm cần tăng áp suất tại đầu ống nhằm vượt qua trở lực và chênh lệch áp suất giữa hai đầu ống Năng lượng cần thiết để bơm chất lỏng được cung cấp từ động cơ điện hoặc các nguồn động lực khác như máy nổ và máy hơi nước.
Điều kiện làm việc của bơm rất đa dạng, bao gồm môi trường trong nhà, ngoài trời, độ ẩm và nhiệt độ khác nhau Bên cạnh đó, bơm cũng cần phải chịu đựng được các tính chất lý hóa của chất lỏng mà nó vận chuyển.
Phân loại bơm có nhiều cách: a Theo nguyên lí làm việc hay cách cấp năng lượng, có hai loại bơm:
Bơm thể tích là loại bơm hoạt động dựa vào sự thay đổi thể tích làm việc thông qua chuyển động tịnh tiến của pittong hoặc chuyển động quay của roto Quá trình này làm tăng thế năng và áp suất của chất lỏng, đồng nghĩa với việc bơm cung cấp áp năng cho chất lỏng.
Bơm động học là loại bơm cung cấp động năng cho chất lỏng, giúp tăng áp suất trong quá trình vận chuyển Chất lỏng được gia tăng động lượng thông qua va đập của các cánh quạt trong bơm ly tâm và bơm hướng trục, hoặc nhờ vào ma sát của tác nhân làm việc trong các loại bơm như bơm xoáy lốc, bơm tia, bơm chấn động, bơm xoắn và bơm sục khí Ngoài ra, bơm điện từ còn sử dụng tác động của trường điện từ để tạo ra động năng cho chất lỏng.
- Bơm cánh quạt: trong loại này bơm li tâm chiếm đa số và hay gặp nhất (bơm nước)
- Bơm pittong ( bơm nước, bơm dầu)
- Bơm roto (bơm dầu, hóa chất, bùn )
Thuộc loại này có bơm bánh răng, bơm cách trượt (lá gạt)
Ngoài ra, còn tồn tại các loại bơm đặc biệt như bơm màng cánh, thường được sử dụng để bơm xăng trong ôtô, và bơm phun tia, có chức năng tạo chân không trong các bơm lớn tại nhà máy nhiệt điện.
1.1.3 Sơ đồ các phần tử của một hệ thống bơm
Các phần tử cơ bản trong một hệ thống bơm được giới thiệu trên hình 1.1:
Hình 1.1 : Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống bơm
Bơm hút chất lỏng từ bể hút 4 qua bộ lọc 3, qua ống hút 5, qua van 6, van
Bài viết mô tả quy trình bơm chất lỏng vào bể chứa, trong đó động cơ lai 1 quay bơm 2 để đẩy chất lỏng qua ống đẩy 8 Đồng hồ chỉ thị 11 ở cửa hút và đồng hồ chỉ thị 12 ở cửa đẩy giúp theo dõi quá trình bơm.
1.1.4 Các thông số cơ bản của bơm a Cột áp H (hay áp suất bơm) Đó là lượng tăng năng lượng riêng cho một đơn vị trọng lượng của chất lỏng chảy qua bơm (từ miệng hút đến miệng đẩy của bơm).
Cột áp H thường được tính bằng mét cột chất lỏng ( hay mét cột nước) hoặc tính đổi ra áp suất của bơm gH H
- γ : trọng lượng riêng của chất lỏng được bơm (N/m 3 )
- ρ : Khối lượng riêng chất lỏng (kg/m 3 )
- g : Gia tốc trọng trường Cột áp H của bơm dùng để khắc phục:
- Độ chênh mức chất lỏng giữa bể chứa và bể hút Hh + Hd [m]
- Độ chênh áp suất tại hai mặt thoáng ở bể hút (p1) vàbể chứa (p2) g p p p p ρ γ 1 2 1
- Trở tùy lực (tổn thất năng lượng đơn vị ) trong ống hút ∑ h h và ống đẩy ∑h d
- Độ chênh lệch áp suất động học(động năng) giữa hai mặt thoáng g v v
- vh, vd : vận tốc chất lỏng trong ống hút và ống đẩy (m/s)
- λh, λd : hệ số trở lực ma sát trong ống hút và ống đẩy
- lh, ld, dh, dd : các chiều dài và đường kính ống hút ống đẩy (m)
Tổng hệ số trỏe lực cục bộ trong ống hút và ống đẩy được ký hiệu là ∑ ξ h và ∑ ξ d Lưu lượng bơm, hay năng suất bơm, là thể tích chất lỏng mà bơm cung cấp vào ống đẩy trong một đơn vị thời gian Công suất bơm được ký hiệu là P hay N.
Trong một số tổ máy bơm cần phải phân biệt 3 loại công suất:
- Công suất làm việc N i (công suất hữu ích) là công để đưa một lượng Q chất lỏng lên độ cao H trong một đơn vị thời gian (s)
- Công suất tại trục bơm N (thường ghi trên nhãn bơm) Công suất này thường lớn hơn Ni vì có tổn hao ma sát.
Công suất động cơ kéo bơm (Nđc) thường lớn hơn công suất yêu cầu (N) để bù đắp cho hiệu suất truyền động giữa động cơ và bơm, đồng thời cũng nhằm dự phòng cho các tình huống quá tải bất thường.
Trong đó : k - hệ số dự phòng
Còn với k thì công suất bơm dưới: 2kW, lấy k = 1,50
Công suất bơm trên 100kw lấy k = 1.05
Cũng có thể lấy hệ số dự phòng khi:
Khi lưu lượng Q lớn hơn 100 m³/h, hiệu suất bộ truyền (η tđ) dao động từ 1,1 đến 1,15, trong khi với bộ truyền đai (cu roa), η tđ thường nhỏ hơn 1 Nếu động cơ được kết nối trực tiếp với bơm, η tđ gần bằng 1 Hiệu suất bơm (η b) được xác định bằng tỉ số giữa công suất hữu ích (N i) và công suất tại trục bơm (N).
Hiệu suất bơm gồm 3 phần: m H Q b η η η η = * * ( 1.5 )
Hiệu suất lưu lượng và hiệu suất thủy lực là hai yếu tố quan trọng trong hoạt động của bơm Hiệu suất lưu lượng phản ánh tổn thất lưu lượng do rò rỉ, trong khi hiệu suất thủy lực thể hiện tổn thất cột áp do ma sát bên trong bơm Cả hai chỉ số này đều ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc và hiệu suất tổng thể của hệ thống bơm.
Hiệu suất cơ khí bị ảnh hưởng bởi tổn thất do ma sát giữa các bộ phận như ổ bi và gối trục, cũng như bề mặt ngoài của guồng động với chất lỏng trong bơm ly tâm.
1.1.4 Một số loại bơm: a Bơm ly tâm
Bơm ly tâm là một loại bơm cánh dẫn, hoạt động dựa trên nguyên lý của máy thủy lực cánh dẫn Hệ thống bánh cánh công tác đóng vai trò là cơ cấu truyền năng lượng chính trong quá trình hoạt động của bơm.
Trước khi bơm hoạt động, cánh công tác cần tiếp xúc với chất lỏng Khi bánh cánh quay, chất lỏng cũng theo đó quay, cho thấy bánh cánh đã truyền năng lượng cho chất lỏng Chuyển động quay của bánh cánh khiến các hạt chất lỏng có xu hướng văng ra xa khỏi tâm, tạo ra khoảng trống mà các hạt chất lỏng khác sẽ di chuyển vào Quá trình trao đổi năng lượng này diễn ra liên tục, hình thành dòng chảy liên tục qua bơm.
Tốc độ chuyển động của hạt chất lỏng khi ra khỏi bánh cánh công tác lớn có thể làm tăng tổn thất của đường dòng, vì vậy cần giảm tốc độ này bằng cách chuyển đổi một phần động năng thành áp năng Để đạt được điều này, chất lỏng sẽ được dẫn vào bầu góp xoắn ốc, nơi có tiết diện lớn dần Nhờ sự quay đều của bánh cánh công tác, chất lỏng sẽ di chuyển liên tục trong đường ống.
+ Theo lưu lượng của bơm:
- Bơm có lưu lượng thấp : Q < 20m 3 /h
- Bơm có lưu lượng trung bình : Q < 60m 3 /h
- Bơm có lưu lượng cao: Q > 60m 3 /h
+ Phân loại theo cột áp của bơm:
-Bơm cột áp thấp H < 20 mH2O
-Bơm cột áp trung bình H = 20 ÷ 60 mH2O.
-Bơm cột áp cao H > 60 mH2O.
+ Theo trị số bánh cánh và cách lắp ghép của các chi tiết:
-Bơm có một bánh cánh và một cấp áp lực.
-Bơm có nhiều cấp là các cánh của bánh công tác được lắp ghép nối tiếp. -Bơm có nhiều bánh cánh, bánh cánh được nối ghép song song.
+ Theo cách dẫn chất lỏng vào bánh công tác:
-Bơm có bánh công tác hút chất lỏng từ một phía được gọi là bơm một miệng hút.
-Bơm có hai miệng hút.
+ Theo kết cấu của vỏ:
-Bơm một vỏ là bơm có một mặt phẳng chia vỏ ra làm hai phần qua tâm trục.
-Bơm vỏ rời là bơm mà vỏ cấu tạo thành từ các phần riêng, mỗi phần ứng với một bánh công tác tạo thành một cấp của bơm.
+ Theo cách đặt bánh công tác:
+ Theo loại chất lỏng được chuyển bằng bơm :
-Bơm để bơm sản phẩm dầu hoả.
+ Theo cách hút của bơm:
- Các bơm tự hút là các bơm có thiết bị để tạo ra chân không trong đường ống hút trong thời kỳ khởi động.
- Các bơm không tự hút là các bơm không có thiết bị để tạo ra độ chân không trong đường ống hút trong thời kỳ khởi động.
* Các thông số cơ bản của bơm ly tâm
Hệ thống bơm chất lỏng lên bình hở
Ta có yêu cầu công nghệ của hệ thống như sau:
Hệ thống bao gồm ba bơm, được vận hành bởi ba động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc Trong đó, bơm số 1 và bơm số 2 là hai bơm chính hoạt động với tần suất lớn, trong khi bơm số 3 đóng vai trò là bơm dự phòng với tần suất hoạt động thấp Bơm số 3 sẽ được kích hoạt để thay thế bơm chính mỗi khi xảy ra sự cố, như sự cố quá tải của động cơ điện.
Thiết kế điều khiển, hệ truyền động điện cho trạm có nhiều bơm 2.1 Xây dựng mạch điều khiển
Viết chương trình điều khiển
Viết chương trình điều khiển cho PLC
Sau khi đã xây dựng sơ đồ mạch điều khiển và mạch động lực cho hệ ta tiến hành viết chương trình điều khiển trên PLC S7-300
Trước khi tiến hành viết chương trình, ta sẽ xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển.
Hình 3.1: Lưu đồ thuật toán khối chương trình chính
Hình 3.2: Lưu đồ thuật toán khi xảy ra sự cố
3.1.2 Viết chương trình điều khiển
* Các biến được định nghĩa trong chương trình
Chương trình viết trên phần mềm Step 7
Sau khi đã viết xong chương trình điều khiển ta tiến hành download tớiPLC (ở đây chính là tới phần mềm S7-PLCSIM để có thể mô phỏng).
Mô phỏng
Ta sử dụng phần mềm S7-PLCSIM để mô phỏng cho chương trinh đã viết bởi phần mềm Step 7. a) Khi ấn Start
Khi ấn nút Start (I0.0=1), hệ thống sẽ được kích hoạt Nếu cảm biến nước báo đủ nước, biến trung gian M0.0 sẽ được thiết lập là 1 và đèn báo hệ thống hoạt động (Q0.7) cũng sẽ sáng Do mực nước dưới mức a, cả 3 bơm sẽ đồng loạt hoạt động.
Q0.1 = 1; Q0.2 = 1; Q0.3 = 1 b) Khi mực nước tăng dần
Khi mực nước tăng đến mức a ( I0.3 = 1 ) thì chỉ còn bơm 1 và bơm 2 hoạt động
Khi mực nước tăng lên đến mức b ( I0.4 = 1 ) thì chỉ còn bơm 1 hoạt động Q0.0 = 1
Khi mực nước tăng lên đến mức c ( I0.5 = 1 ) thì chỉ cả 3 bơm đều ngừng hoạt động c) Khi xảy ra sự cố động cơ lai máy bơm bị quá tải
Khi mức nước nằm trong khoảng a và b (I0.3=1 và I0.4=0), nếu bơm số 2 gặp sự cố (I1.0=1), bơm số 3 sẽ được kích hoạt để thay thế bơm số 2, đồng thời đèn báo sự cố của bơm số 2 sẽ sáng lên (Q0.4=1).
Khi mực nước nằm giữa mức a và b (I0.3=1 và I0.4=0), nếu bơm số 1 gặp sự cố (I0.7=1), bơm số 3 sẽ tự động hoạt động để thay thế bơm số 1, đồng thời đèn báo sự cố của bơm số 1 sẽ sáng lên (Q0.3=1).
Khi ấn Stop biến trung gian M0.0=0 và Q0.7=0 do đó hệ thống ngừng hoạt động
Trang bị điện điện tử là môn học thiết yếu trong chương trình đào tạo sinh viên ngành tự động hoá, với ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy và cơ sở sản xuất Việc nắm vững kiến thức về môn học này giúp phân tích và thiết kế các hệ thống truyền động, đảm bảo chất lượng tối ưu và hiệu quả kinh tế.
Sau một thời gian nỗ lực, em đã hoàn thành đồ án nhờ sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy giáo, đặc biệt là thầy Ts Hoàng Xuân Bình Trong quá trình thực hiện, em nhận ra rằng bản thân còn nhiều thiếu sót và rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các thầy và bạn bè để hoàn thiện đồ án này hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hải Phòng, ngày 25 tháng 5 năm 2010 Sinh viên
