Trong CNTP coù nhieàu phöông phaùp ñeå xöû lyù thöïc phaåm soáng taïo saûn phaåm theo mong Nội dung 1 TRÍCH YEÁU 2 2 LYÙ THUYEÁT THÍ NGHIEÄM 2 3 THIEÁT BÒ & PHÖÔNG PHAÙP THÍ NGHIEÄM 5 4 KEÁT QUAÛ THÍ[.]
Nội dung: TRÍCH YẾU 2 LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM: THIEÁT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: .5 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM: 4.1 Số liệu thô .6 4.2 Xaây dựng giản đồ Công suất khuấy – Vận tốc khuấy cho bồn nhớt 50m3 đồng dạng bồn nhớt thí nghiệm: .6 4.3 Đồ thị BÀN LUẬN: .9 5.1 Ảnh hưởng chặn đến công suất khuấy: 5.2 Sự tiêu thụ lượng loại cánh khuấy .10 5.3 Tại lại chọn khoảng cách vận tốc trường hợp khuấy dầu lớn khuấy nhớt: .11 5.4 Trong trường hợp có xoáy phễu ? Xoáy phễu có lợi hay không Có phương án làm xoáy phễu ? Bề mặt xoáy phễu lõm xuống hay lồi lên? Tại sao? .11 5.5 Nhận xét mức độ tin cậy phương pháp đồng dạng.Phân tích trường hợp bồn “50m3” trên: 12 5.6 Chuyeån giao giản đồ 13 PHUÏ LUÏC .13 TÀI LIỆU THAM KHẢO .14 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 1.2 Phương pháp TN: Đo lực ma sát F cách đọc số lực kế sau giá trị vận tốc khuấy N - Tính công suất cánh khuấy - Tính chuẩn số Reynold - Tính chuẩn số công suất - Vẽ giản đồ thể quan hệ Re & N p – gọi giản đồ chuẩn số công suất ( bỏ qua ảnh hưởng chuẩn số Froude) cho hệ thống đồng dạng bình dầu & bình nhớt 1.3 Kết thí nghiệm - Sau thí nghiệm, đo đạc tính toán ta thu giản đồ chuẩn số công suất khuấy (Np) theo chuẩn số Re cho trường hợp chất lỏng nhớt dầu - tất trường hợp, vận tốc khuấy 1100 vòng/phút Trên 1100 vòng/phút, máy bị lắc mạnh - Nhận xét kết TN: Trong trường hợp có chặn chuẩn số công suất lớn trường hợp chặn Nghóa công suất tiêu hao P cho khuấy có chặn lớn chặn với giá trị vận tốc khuấy Khuấy dầu dễâ tạo lõm xoáy khuấy nhớt LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM: 2.1 Khái niệm: Khuấy trình làm giảm không đồng chất lỏng Đó chênh lệch nồng độ, độ nhớt, nhiệt độ… vị trí khác lòng chất lỏng 2.2 Xác định công suất cánh khuấy P: Công suất khuấy P phụ thuộc nhiều yếu tố biễu sau: P=f ( N , d , μ , ρ , D , H , Z , kích thước khác) (1) Bằng phương pháp phân tích thứ nguyên, người ta thiết lập phương trình chuẩn số tính công suất khuấy dạng: P=N p N d ρ (2) Trong Np chuẩn số công suất, phụ thuộc vào chế độ thủy động lực học thiết bị: N p =f (Re, Fr , Ga, .) (3) Với: Np= P N d ρ : Chuẩn số công suất, vô thứ nguyên : Chuẩn số Reynolds cánh khuấy, tỷ số lực ly tâm & lực ma sát : Chuẩn số Froude, tỷ số lực ly tâm & lực trọng trường, đặc trưng cho hình thành xoáy phễu thừa số hình dạng hệ thống Trong : P : Công suất khuấy (W) N : Vận tốc cánh khuấy (1/s) d : Đường kính cánh khuấy (m) : Khối lượng riêng chất lỏng khuấy (kg/m3) : Độ nhớt động lực học chất lỏng khuấy (N/s.m) Như vấn đề ước đoán công suất khuấy phức tạp cần biết rõ ảnh hưởng hình dáng hệ thống 2.3 Giản đồ công suất chuẩn số đặc trưng: Trên thực tế, người ta đo ảnh hưởng chuẩn số Reynolds Froude chuẩn số công suất sau xác định thừa số hình dạng - Chuẩn số công suất: Ta viết: P = Ff.v = J.A.v A ~ d2 v ~ dN Trong : Ff : Lực ma sát v : vận tốc lưu chất J : Hệ số ma sát A : Diện tích cánh khuấy vuông góc với phương chuyển động dòng lưu chất d : Đại lượng chiều dài Vậy (4) Ta thấy chuẩn số công suất có ý nghóa thừøa số ma sát - Chuẩn số Reynolds cánh khuấy: Suy thẳng từ định nghóa chuẩn số Re dòng chảy thay vận tốc v số vòng quay N (5) - Chuẩn số Froude: Là tỉ số lực ly tâm gia tốc trọng trường (6) Chính quân bình hai lực tạo nên xoáy lốc hình phễu Xoáy lốc gây lực phụ tác dụng ngang lên trục khuấy, lực lớn độ sâu xoáy phễu lớn độ sâu cánh khuấy tính từ mặt thoáng chất lỏng khí lọt vào chất lỏng làm giảm đáng kể hiệu suất khuấy Sự tạo phễu gây đảo, lắc trục khuấy trục khuấy không lắp đặt tâm Vận tốc khuấy cao khả tạo xoáy phễu lớn, để khắc phục tượng này, người ta bố trí chặn để ngăn cản tạo phễu, hiệu suất khuấy tăng lên công suất cánh khuấy tăng lên sức cản khuấy tăng - Nếu lực ly tâm nhỏ (Re < 300) chuẩn số Fr chưa đáng kể (gần số không)và công suất khuấy trường hợp có chắn chắn nhau, xoáy lốc chưa xuất - Ở chuẩn số Re cao bình chắn người ta gộp ảnh hưởng chuẩn số Fr vào chuẩn số công suất qua định nghóa chuẩn số công suất hiệu chỉnh: Np Np∗¿ Fr m (7) Lũy thừa m tùy thuộc hình dáng cánh khuấy hệ thống (8) Trong : a,b số phụ thuộc hình dạng cánh khuấy thừa số hình dạng Đối với chong chóng cánh bước có H/Dt = 3,3 Z/d = a = 1,7 b = 18,0 Một cách tổng quát, ta có : α Np =f ( Re, Fr )=C N Re Fr α2 (9) Trong : CN, 1, 2, số phụ thuộc chế độ khuấy Nếu lưu chất khuấy có chế độ chảy : Chảy tầng : 1 = -1, 2 = P0 = CNRe-1 Chảy rối có cản : 1 = 0, 2 = P0 = CN Chảy rối cản : 1 = 0, 2 = , trở lại trường hợp 2.4 Nguyên tắc khuếch đại đồng dạng Hai hệ thống gọi đồng dạng hoàn toàn chúng thỏa mãn đồng thời : Đồng dạng hình học Đồng dạng động học Đồng dạng động lực học Mô hình đồng dạng hoàn toàn đòi hỏi tất chuẩn số vô thứ nguyên tương ứng Khi cần thiết kế hệ thống khuấy lớn cho công nghiệp, người ta thường tạo mô hình nhỏ đo thực nghiệm giản đồ công suất mô hình Vì có đồng dạng hình học hai hệ thống nhỏ lớn nên giản đồ áp cho hai dùng để tiên đoán công suất cường độ khuấy nhà máy: nguyên tắc khuếch đại đồng dạng Trong thực tế, nhiều khó thực mô hình đồng dạng hoàn toàn, hai hệ thống lớn nhỏ gần đống dạng có vài dị biệt ta dùng hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm Tuy nhiên thực nghiệm người ta nhận thấy : N p =f (Re ) Có 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 , giá trị C & m xác định qua bảng tra Xác định Np theo đồ thị (dùng giản đồ công suất) 2.5 Tiên đoán công suất hệ thống thực: Khi cần thiết kế hệ thống khuấy trộn công nghiệp, người ta tạo mô hình mẫu nhỏ xây dựng giản đồ chuẩn số công suất cho mô hình Mô hình mẫu phải đồng dạng với mô hình thực tế Vì đồng dạng mà mô hình lớn dùng chung giản đồ mô hình mẫu Từ ta tiên đoán công suất thực cần thiết THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: 3.1 Thiết bị TN : bình chứa dầu nhớt cánh khuấy turbine CT2, CT3 & cánh khuấy chân vịt CP2 trục gắn cánh khuấy chặn động cớ ¼ mã lực thay đổi vận tốc – 1200v/ph hộp số lực kế lò xo có thang đo – 2lbf vận tốc kế có thang đo ( 0- 300; 0- 600; – 1200v/ph) 3.2 Phương pháp TN: 3.2.1 Đo công công suất khuấy: Công suất khuấy P tính công thức: P=2 π r F N (10) Trong đó: r = inch khoảng cách từ vị trị gắn lò xo đến trục động cơ; F-lực ma sát chất lỏng cánh khuấy, N- số vòng quay cánh khuấy 3.2.2 Vận tốc khuấy N: Đọc vận tốc kế (v/ph) 3.3 Nội dung TN (1)Chọn lưu chất dầu nhớt để tiến hành TN (2)Chọn cánh khuấy turbine (CT2 hay CT3) hay cánh khuấy chân vịt CP2 lắp vào trục khuấy (3)Đớâi với nhớt điều chỉnh tốc độ khuấy 200, 400, 600, 800, 1000 vòng/phút Còn dầu chọn tốc độ khuấy 50, 400, 700, 900, 1100 vòng/phút * Chú ý tiến hành TN : Không nên chạy máy 1100vòng/phút máy rung, nguy hiểm Khi đọc vận tốc thử để vận tốc kế thang -1200 rpm trước Nếu thấy chưa đủ xác giảm xuống thang đo nhỏ Tránh để kim nhảy mức tối đa thang đo Mỗi bật tắt động hay thay đổi vận tốc khuấy, phải dùng tay giữ động cho lực ban đầu không làm động xoay mạnh gây va chạm làm hư máy Khi tháo lắp cánh khuấy , trục … không để rơi xuống làm vỡ bình Trước dùng lực kế phải chỉnh động quay Khi quay hộp số để điều chế vận tộc, phải tháo rời lò xo khỏi động KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM: 4.1 Số liệu thô Vận tốc (v/ph) Dầu CT2 Khô Có tấ ng Vận tốc (vòng/ph) CT2 Khô Có tấ ng Nhớt CT3 Khô Có tấ ng CP2 Khô Có tấ ng 50 400 700 900 1100 có 0.06 0.08 0.09 0.10 0.11 m cha 0.08 0.09 0.11 0.14 0.18 200 400 600 800 1000 coù taám 0.04 0.05 0.08 0.11 0.14 m cha 0.05 0.06 0.08 0.11 0.15 có 0.05 0.07 0.08 0.09 0.11 m cha 0.06 0.07 0.08 0.10 0.12 có 0.06 0.06 0.07 0.08 0.09 m cha 0.06 0.07 0.07 0.08 0.09 4.2 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 = 4.572m Chọn loại cánh khuấy mái chèo đồng dạng với cánh khuấy CT2 có đường kính d = 1.2195 m N(v/s)NN- TN Re thieát Np P(W) TN(v/s) ( v/ph) keá 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 Np 150.000 co tam chan 100.000 50.000 0.000 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Re Np theo Re Nhot-CT3 25.000 20.000 khong co tam chan Np 15.000 co tam chan 10.000 5.000 0.000 100.000 200.000 300.000 400.000 500.000 600.000 700.000 Re Np theo Re Nhot-CP2 12.000 10.000 khong co tam chan Np 8.000 6.000 co tam chan 4.000 2.000 0.000 0.000 200.000 400.000 600.000 Re 800.000 1000.000 P-N 16.0000 14.0000 12.0000 P (W) 10.0000 8.0000 P-N 6.0000 4.0000 2.0000 0.0000 0.0150 0.0200 0.0250 0.0300 0.0350 0.0400 0.0450 0.0500 N(v/s) BÀN LUẬN: 5.1 Ảnh hưởng chặn đến công suất khuấy: - Trong thí nghiệm, ta thấy với vận tốc khuấy, trường hợp lắp chặn có chuẩn số công suất (hay công suất) khuấy cao so với không lắp chặn - Lắp chặn làm tăng trở lực cản trở dòng chảy xoáy tròn chất lỏng bồn khuấy Từ làm tăng lực ma sát dòng chảy Trong trường hợp có chặn dùng công suất với trường hợp không lắp chặn trở lực dòng chảy đó, vận tốc khuấy đạt giá trị thấp Vì vậy, để đảm bảo vận tốc khuấy cần thiết, ta phải cung cấp công suất lớn trường hợp không lắp chặn.Tuy nhiên, lắp chặn ngăn cản hình thành xoáy phễu, làm tăng hiệu suất khuấy, bên cạnh công suất khuấy tăng trở lực cản chặn lên khuấy tăng Tuy nhiên, các đồ thị , vận tốc khuấy đạt đến giá trị chuẩn số công suất hai trường hợp lại tiến gần Có vẻ kết hoàn toàn ngược lại so với hai giản đồ sách hướng dẫn thí nghiệm Nguyên nhân thiết bị: quay lâu nhớt (dầu) có độ nhớt cao nên hệ thống khuấy hoạt động lâu làm lỏng khớp nối cánh khuấy với trục khuấy Điều làm cho việc đo lực khó khăn hơn, số liệu thu nhận từ lực kế không tính xác Ngoài ra, hệ thống gồm: động cơ, hộp số đỡ 10 ổ bi, hệ thống hoạt động không ngừng dao động số đo lực kế dao động liên tục khó xác định xác giá trị sai số không kể đến ma sát ổ bi đỡ động (chống lại ma sát cánh khuấy chất lỏng làm sai kết đo lực) 5.2 Sự tiêu thụ lượng loại cánh khuấy Với loại cánh khuấy điều kiện thí nghiệm thông số khác, đường kính cánh khuấy lớn lượng tiêu thụ lớn Trong trường hợp đó, lượng tiêu thụ phụ thuộc vào tiết diện vuông góc với vận tốc dài cánh khuấy Tiết diện lớn, lực cản chất lỏng lên cánh khuấy lớnnăng lượng tiêu hao để thắng lực cản lớn Lực cản biểu diễn phương trình Newton : Trong : P : Lực cản (N) : Hệ số nhớt động lực học (N.s/m2) A : Tiết diện vuông góc với vận tốc dòng chảy dv/dy : Gradient vận tốc lưu chất theo phương vuông góc dòng chảy Trong thí nghiệm, ta thấy -N=200, 400 vòng/phút, cánh khuấy CT2 tiêu thụ lượng nhỏ cánh khuấy CT3, nhiên ở vận tốc cánh khuấy còn lại, cánh kh́y CT2 tiêu thụ lượng lớn cánh khuấy CT3, thể chỗ công suất khuấy Vì: cánh khuấy CT2 có đường kính inch, cánh khuấy CT3 có đường kính 2.5 inch diện tích bề mặt vuông góc vận tốc dài cánh khuấy cánh khuấy C T2 lớn Tuy vậy ở hai mức vận tốc đầu không phù hợp với lý thuyết ảnh hưởng của sai số quá trình thì nghiệm - Cánh khuấy CP2, có đường kính với cánh khuấy C T2, nhiên cấu tạo có dạng chong chóng, phần tiết diện vuông góc với vận tốc dài bé cánh khuấy C T tiêu thụ lượng thấp Có điểm cần lưu ý cấu tạo chong chóng, cánh khuấy C P2 làm tăng lực đẩy theo chiều trục, tăng cường khuấy trộn dọc 11 5.3 Tại lại chọn khoảng cách vận tốc trường hợp khuấy dầu lớn khuấy nhớt: Trong hướng dẫn thí nghiệm : với nhớt chọn vận tốc 200, 400, 600, 800 1000 vòng/phút; với dầu chọn 50, 400, 700, 900, 1100 vòng/phút Do độ nhớt dầu nhỏ nhiều so với nhớt, gần phân Vì lực ma sát đo khuấy dầu nhỏ khuấy nhớt Nếu lấy khoảng vận tốc khuấy hai chất lỏng giống khoảng cách lực đo khuấy dầu nhỏkhó phân biệt Vì vậy, khoảng cách vận tốc thí nghiệm khuấy dầu phải lớn thí nghiệm khuấy nhớt để tăng khoảng cách lực ma sát đo đượcdễ đọc giá trị lực kế 5.4 Trong trường hợp có xoáy phễu ? Xoáy phễu có lợi hay không Có phương án làm xoáy phễu ? Bề mặt xoáy phễu lõm xuống hay lồi lên? Tại sao? Xoáy phễu xuất lực ly tâm đủ lớn, vận tốc xoay dòng lưu chất lớn tạo trường lực cân với trọng lực chất lỏng làm cho bề mặt phần chất lỏng phân bố theo dạng cong lõm Dạng cong lõm xoáy giải thích theo cách: + Theo giải tích: Mặt thoáng chất lỏng thiết bị mặt cong biểu diễn phương trình: dz v 2t = dr rg Trong đó: z0 – độ sâu phễu, z0 = h1 + h2; z 0= B N d 2g B- tham số phụ thuộc vào thông số phân bố tốc độ,ψ B = f(ψ ) biễu diễn đồ thị h1-khoảng cách từ mực chất lỏng ban đầu đến đến đáy lõm xoáy,m h2- mực chất lỏng dâng lên thành thiết bị,m Rõ ràng lấy tích phân phương trình z0 = - f(vt , r, g, …) < 0, bề mặt lõm xoáy (dạng parabol) lõm xuống + Theo chất: lực ly tâm có xu hướng đem phần tử chất lỏng từ tâm Đến thành bình, chúng bị cản lại ứ đọng Vì mật độ phần tử chất lỏng tâm bình 12 thành bình xuất dạng lõm (do thiếu chất lỏng tâm bình khuấy) Cánh khuấy chân vịt có tác dụng tăng cường khuấy trộn dọc nên tạo xoáy phễu Thường xoáy phễu lợi, bề mặt chất lỏng xuất nhiều chỗ xoáy lớn chuyển động chất lỏng lòng bị hạn chế mát lượng nhiều tạo bọt khuấy Hơn nữa, xoáy phễu hình thành tồn làm giảm lực khuấy trộn ,đôi có tác dụng ngược lại làm xuất khả phân li làm giảm hiệu trình khuấy Do thực tế người ta thường tránh khả tạo xoáy phễu phương án sau: + Đặt lệnh tâm cánh khuấy vào bể ( thùng) khuấy: đặt nghiêng hay đặt nằm ngang + Ghép chặn thùng khuấy: Ghép chặn thành thùng, dùng vòng cản, rối dòng, ống thẳng đứng đặt thùng, vòng ống … Tuy nhiên, việc đặt lệch tâm cánh khuấy ghép chặn thùng chắn xuất thêm trở lực cục xuất vùng tù để giảm thỉu vùng tù ta phải tăng vận tốc khuấy trộn 5.5 Nhận xét mức độ tin cậy phương pháp đồng dạng.Phân tích trường hợp bồn “50m3” trên: Phương pháp đồng dạng phương pháp ứng dụng nhiều nghiên cứu thiết kế hệ thống Như đề cập phần lý thuyết, hai trình gọi đồng dạng phải thỏa: Đồng dạng hình học Đồng dạng động học Đồng dạng động lực học Mô hình đồng dạng hoàn toàn đòi hỏi tất chuẩn số vô thứ nguyên tương ứng Tuy nhiên, áp dụng mô hình đồng dạng mô hình thí nghiệm vào mô hình sản xuất công nghiệp khó tránh khỏi sai khác số thông số kó thuật Vì vậy, để áp dụng nghiên cứu phòng thí nghiệm vào thực tế thường người ta thêm hay vài thông số hiệu chỉnh Mức độ tin cậy phương pháp đồng dạng chấp nhận chưa có mô hình giải tích xác để tính toán hệ thống thực 13 Trong mô hình sản xuất công nghiệp, yêu cầu suất đặt lên hàng đầu công suất khuấy trộn lớn nhiều so với thí nghiệm Theo thí nghiệm Re chất lỏng