I Khuaáy chaát loûng I TRÍCH YEÁU 1 Muïc ñích Khaûo saùt giaûn ñoà chuaån soá coâng suaát khuaáy vôùi heä thoáng coù hình daïng khaùc nhau 2 Phöông phaùp thí nghieäm Tieán haønh thí nghieäm baèng caùc[.]
Khuấy chất lỏng I TRÍCH YẾU Mục đích Khảo sát giản đồ chuẩn số công suất khuấy với hệ thống có hình dạng khác Phương pháp thí nghiệm: Tiến hành thí nghiệm cách thiết lập nhiều hệ thống khuấy khác về: Loại cánh khuấy: cánh khuấy turbine (CT2, CT3) chân vịt (CP2) Chế độ khuấy (có chặn) chất lỏng có độ nhớt khối lượng riêng khác (dầu nhớt) Ở thí nghiệm, ta thay đổi vận tốc khuấy đo đại lượng : Vận tốc khuấy N Lực cản Ff cánh khuấy qua lực kế lò xo Kết - Xây dựng giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp thí nghiệm - Xây dựng mô hình thực bồn chứa nhớt tích 50 m3 đồng dạng hình học với bình thí nghiệm khuấy nhớt II LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM Khái niệm Khuấy chất lỏng cung cấp lượng để tạo dòng chảy thích hợp thiết bị Khuấy trộn môi trường lỏng thường ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp hoá chất, thực phẩm để tạo dung dịch huyền phù, nhũ tương, để làm tăng cường trình truyền nhiệt, truyền khối phản ứng hoá học ….Người ta khuấy trộn chất lỏng khí, khí nén (sục khí) tiết lưu hay tuần hoàn chất lỏng Phạm vi ứng dụng số loại cánh khuấy (khuấy trộn khí) - Cánh khuấy mái chèo : Để khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt nhỏ, thường dùng để hoà tan chất rắn có khối lượng riêng không lớn - Cánh khuấy chân vịt : Để điều chế huyền phù, nhũ tương Loại cánh khuấy dùng không thích hợp - 1- Khuấy chất lỏng chất lỏng có độ nhớt cao khuấy trộn hỗn hợp, khối lượng riêng pha rắn lớn - Cánh khuấy turbine : Để khuấy chất lỏng có độ nhớt cao ( = 5.105 cP), để điều chế huyền phù mịn, để hoà tan nhanh chất rắn để khuấy trộn chấtlỏng lắng cặn có nồng độ pha rắn đến 80% - Cánh khuấy đặc biệt : Dùng trường hợp dùng cánh khuấy Loại dùng để khuấy bùn nhão chất lỏng có độ nhớt cao Các phương pháp xác định chuẩn số công suất khuấy - Xác định chuẩn số công suất theo giải tích: Trường hợp tổng quát, chuẩn số công suất xác định theo công thức (1) k : Hệ số trở lực cánh khuấy K1 : Hệ số không thứ nguyên, liên quan đến trường tốc độ biểu diễn K1 = f(1,2) - Xác định chuẩn số công suất theo đồ thị Dựa vào đồ thị chuẩn số công suất khuấy với Re loại thiết bị khuấy ta xác định KN biết Re - Xác định chuẩn số công suất khuấy theo phương trình chuẩn số Phân tích thứ nguyên Công suất khuấy P phụ thuộc vào Vận tốc cánh khuấy N, v/s Đặc tính chất lỏng: độ nhớt , khối lượng riêng Độ cao chất lỏng bình chứa H, m Đường kính cánh khuấy D cấu trúc bình khuấy (loại cánh khuấy, hình dáng bình chứa, số chặn,…) Như ta có quan hệ: P = f(N, d, , , D, H, Z, kích thước hình học khác) Phân tích thứ nguyên cho thấy : Trong đó: - 2- Khuấy chất lỏng (2) : Chuẩn số công suất, có ý nghóa thừa số ma sát (3) : Chuẩn số Reynold cánh khuấy, tỉ số lực li tâm lực ma sát Nó đặc trưng cho chế độ chảy lưu chất bình khuấy (4) : Chuẩn số Froude, tỉ số lực li tâm lực trọng trường đặc trưng cho hình thành xoáy phễu : Các thừa số hình dạng hệ thống Giữa hệ thống thoả mãn điều kiện đồng dạng hình học, thừa số hình dạng Ta bỏ qua ảnh hưởng chúng Vì : NP = f* (Re, Fr) (5) Giản đồ công suất a Công thức để xác định công suất khuấy trôn P = NPN3d5 (6) Trong Np phụ thuộc vào hai chuẩn số Re Fr Việc xác định chuẩn số công suất khuấy Np giải tích gặp nhiều khó khăn Vì thế, người ta dùng thực nghiệm để xây dựng quan hệ ba chuẩn số nói Thông thường, người ta cố định hai thông số (giả sử Re) giá trị Re1 đó, làm thí nghiệm với giá trị Fr1, Fr2,… để Np tương ứng Sau thay đổi Re đến Re2, Re3,…và lặp lại quy trình Dễ thấy ta có mặt phẳng hệ toạ độ Re – Fr – Np để mô tả phương trình (5) b Dạng công thức đơn giản để xác định chuẩn số công suất khuấy NP = K’RebFrc (7) Trong giá trị K’, b c xác định thực nghiệm dựa vào loại cánh khuấy hình dạng bình chứa, chế độ chuyển động lưu chất Chuẩn số Fr thường quan trọng trường lõm xoáy xuất bỏ qua giá trị chuẩn số Re nhỏ 300 Khi NP = K’Reb (8) - 3- Khuấy chất lỏng Với giá trị Re < 10 b = -1 công thức xác định công suất P = K’ N2D3 (9) Giá trị K’ phụ thuộc vào loại cánh khuấy, cách đặt bình khuấy Đối với giá trị cao Re Chuẩn số Fr góp phần ảnh hưởng đến giá trị Np Đồ thị mô tả quan hệ gọi giản đồ chuẩn số công suất khuấy III DỤNG CỤ, THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Dụng cụ, thiết bị - bình chứa dầu nhớt - cánh khuấy turbine CT2 (lớn), CT3 (nhỏ) cánh khuấy chân vịt CP2 - trục cánh khuấy - chặn - động ¼ mã lực thay đổi vận tốc từ đến 1200 vòng/phút (rpm) hộp số Động đặt ổ bi - lực kế lò xo có thang đo từ đến lbf - vận tốc kế có thang đo hoạt động theo nguyên tắc điện từ (0 – 300 rpm, – 600 rpm, – 1200 rpm) Phương pháp thí nghiệm a Phương pháp đo: - Công suất khuấy: Khi cánh khuấy quay, lực ma sát truyền lên cánh khuấy làm cho động quay ổ bi Ta gắn lò xo lực kế vào động để hãm lại, đọc số đo lực kế Số đo độ lớn lực ma sát F chất lỏng cánh khuấy Công sinh điểm đặt lò xo chuyển động tương đối khoảng ds: Khi chyển động trọn vòng: - 4- Khuấy chất lỏng Với r khoảng cách từ vị trí gắn lò xo đến trục động Trong hệ thống thí nghiệm này, r = inch với : thời gian động quay hết vòng Như vậy: (10) - Vận tốc khuấy N: Đọc vận tốc kế theo đơn vị vòng/phút ( rpm ) b Cách tiến hành: Thí nghiệm thực với chất lỏng nhớt dầu Đối với nhớt, tiến hành với cánh khuấy, với dầu dùng cánh khuấy CT2 Ứng với cánh khuấy phải đo chế độ: có chặn Với nhớt chọn vận tốc 100, 200, 300, 400 Với dầu ta chọn 50, 150, 250, 350 Cụ thể sau: - Đầu tiên, kiểm tra dung cụ thiết bị thí nghiệm - Lắp cánh khuấy vào hệ thống (khi lắp cần ý không để rơi xuống làm vỡ bình) - Lắp chặn chế độ có chặn ( ý va chạm làm bể bình ) - Chọn chế độ vận tốc (0-600 vòng/phút) - Chỉnh lực kế lò xo - Bật động (dùng tay giữ động lực ban đầu không làm động xoay mạnh gây va chạm làm hư máy) - Chỉnh hộp số vận tốc đến mức cần thiết - Khi động quay, lực ma sát truyền lên cánh khuấy làm cho động quay ổ bi Ta gắn lò xo lực kế vào động để hãm lại đọc số đo lực kế - Dùng tay giữ động cơ, tháo lò xo lực kế ra,chỉnh vaận tốc 0,tắt máy - Mở máy, tiếp tục thay đổi vận tốc hộp số, móc lò xo lực kế vào đọc số đo IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Bảng số liệu a Với lưu chất nhớt - 5- Khuấy chất lỏng Nhớt - khoâng chặn CT2 N(v/phut) N(v/s) F(lbf) 100 1.667 0.10 200 3.333 300 5.000 400 6.667 100 1.667 200 3.333 300 5.000 400 6.667 F(N) P(W) Re 0.44 0.59 90.732 0.53 1.42 0.12 181.463 0.62 2.48 0.14 272.195 0.89 4.73 0.20 362.926 Nhớt - chặn 0.35 0.47 0.08 90.732 0.44 1.18 0.10 181.463 0.53 2.12 0.12 272.195 0.80 4.25 0.18 362.926 Np Ghi chuù 58.363 17.509 9.079 7.295 46.690 14.591 7.782 6.566 Np Ghi Nhớt - không chặn CT3 N(v/phut) N(v/s) F(lbf) 100 1.667 0.08 200 3.333 300 5.000 400 6.667 100 1.667 200 3.333 300 5.000 400 6.667 F(N) P(W) Re 0.35 0.47 63.008 116.180 0.44 1.18 0.10 126.016 36.306 0.53 2.12 0.12 189.024 19.363 0.62 3.31 0.14 252.032 12.707 3 Nhớt - chặn 0.44 0.59 0.10 63.008 145.225 0.53 1.42 0.12 126.016 43.567 0.62 2.48 0.14 189.024 22.591 0.89 4.73 0.20 252.032 18.153 - 6- Khuaáy chất lỏng Nhớt - không chặn CP2 N(v/phut) N(v/s) F(lbf) 100 1.667 0.10 200 3.333 300 5.000 400 6.667 100 1.667 200 3.333 300 5.000 400 6.667 F(N) P(W) Re 0.44 0.59 90.732 0.53 1.42 0.12 181.463 0.62 2.48 0.14 272.195 0.80 4.25 0.18 362.926 Nhớt - chặn 0.53 0.71 0.12 90.732 0.62 1.65 0.14 181.463 0.71 2.83 0.16 272.195 0.80 4.25 0.18 362.926 Np Ghi chuù 58.363 17.509 9.079 6.566 70.035 20.427 10.376 6.566 b Với lưu chất dầu Dầu - không chặn CT2 N(v/phut) N(v/s) F(lbf) 50 0.833 0.10 150 2.500 250 4.167 350 5.833 50 0.833 150 2.500 250 4.167 350 5.833 F(N) P(W) Re Np 0.44 0.29 75.768 245.069 0.53 1.06 0.12 227.304 32.676 0.62 2.07 0.14 378.840 13.724 0.71 3.31 0.16 530.376 8.002 Daàu - chặn 0.44 0.29 0.10 75.768 245.069 0.62 1.24 0.14 227.304 38.122 0.71 2.36 0.16 378.840 15.684 0.80 3.72 0.18 530.376 9.003 - 7- Ghi chuù Khuaáy chaát lỏng Đồ thị a Với lưu chất nhớt ( “Nhớt-1” : chặn.” Nhớt-2”: có chặn) b Với lưu chất dầu (“ Dầu-1”: không chặn.”Dầu-2”: có chặn) - 8- Khuấy chất lỏng Tiên đoán công suất cho hệ thống bồn chứa nhớt tích 50 m3, đồng dạng với bình khuấy nhớt sử dụng cánh khuấy CT3, bồn chặn * Bể khuấy sử dụng cánh khuấy CT3 có đặc điểm sau - Đường kính bể DTN = 0.25 m - Chiều cao mực chất lỏng HTN = 0,284 m - Đường kính cánh khuấy dTN = 0.0635 m * Thiết kế bể chứa tích VTT = 50 m3 Ta có : - 9- Khuấy chất lỏng Suy Ngoài : = Vậy DTT = 3,83 m, HTT = 4,35 m, vaø dTT = 0.97 m Ta tính Re’ theo công thức (3) với dTT N’ ( giá trị cho trước), sử dụng giản đồ chuẩn số công suất “Nhot CT3” tra giá trị N’P, dùng công thức (6) tính P’ * Kết tính toán xác định công xuất khuấy chọn giá trị vận tốc quay cánh khuấy: Chế độ Khôn g chặn * Cánh khuấy CT3 N' (voøng/s) Re' 0.01 88.610 124.05 0.014 159.49 0.018 194.94 0.022 230.38 0.026 N'p P' (W) 83.725 0.062 38.794 0.079 27.303 0.118 18.738 0.148 14.994 0.195 Đoà thị biểu diễn công suất theo vận tốc khuấy - 10- Khuấy chất lỏng V BÀN LUẬN Nhận xét ảnh hưởng chặn với công suất khuấy: Theo bảng số liệu: - Đối với lưu chất nhớt: + Trường hợp cánh khuấy CT2: công suất khuấy có chặn nhỏ khơng có chặn + Trường cánh khuấy CT3 CP2 cơng suất khuấy khơng có chặn nhỏ có chặn - Đối với lưu chất dầu: cánh khuấy CT2, cơng suất khuấy có chặn lớn khơng có chặn, giá trị công suất trường hợp xấp xỉ Giải thích: - Khi lực ly tâm nhỏ, công suất khuấy lúc chặn đạt giá trị gần có chặn ứng với giá trị lực ly tâm nhỏ ảnh hưởng lực chưa đáng kể xoáy lốc chưa xuất dòng lưu chất chuyển động tương tác nhiều với cánh khuấy chắn Lực ma sát tác dụng lên cánh khuấy hai trường hợp xấp xỉ - 11- Khuấy chất lỏng - Khi lực ly tâm lớn chặn xuất xoáy lốc (do cân lực ly tâm trở nên đáng kể với trọng lực ø tạo nên chuyển động xoay tròn lưu chất) khuấy trộn vận tốc cao làm tiêu tốn phần lượng, trình tạo bọt làm hao phí thêm lượng mát phần khả khuấy trộn hệ thống => Để khắc phục tạo thành xoáy lốc khuấy trộn vận tốc cao người ta lắp thêm chặn vì: - Khi có thêm chặn, chất lỏng tiếp xúc với diện tích bình tiếp xúc diện tích chặn (va đập vào chuyển động dọc theo biên chúng) làm tăng thể tích tiếp xúc tăng lực ma sát Vì ta xác định công suất khuấy dựa lực ma sát truyền lên trục động làm động quay ổ bi công suất khuấy tăng Vậy có chặn công suất khuấy cao so với chặn Nhận xét tiêu thụ lượng loại cánh khuấy - Năng lượng tiêu hao loại cánh khuấy khác khác Cánh khuấy chân vịt tiêu hao lượng cánh khuấy turbin.( xét đường kính inch) - Giải thích: Cánh khuấy kiểu tuabin có bề mặt chịu áp lực vuông góc với phương dòng lưu chất chịu sức ép trực diện lưu chất lực cản lớn Cánh khuấy chân vịt, dòng lưu chấtõ trượt phần lực cản tác dụng giảm => Để tính công suất khuấy ta dựa giá trị lực ma sát lưu chất với cánh khuấy cánh khuấy chịu tác dụng lưu chất nhiều cánh khuấy tiêu thụ nhiều lượng - Cùng loại cánh khuấy kiểu turbin cỡ inch tiêu thụ nhiều lượng cỡ 2,5 inch.) - Giải thích: Khi quay chất lỏng, cánh khuấy chịu áp lực dòng chất lỏng tác dụng lên Vì cánh khuấy lớn có bề mặt chịu tác dụng lực lớn sử dụng nhiều lượng Giải thích lý chọn khoảng cách vận tốc trường hợp khuấy dầu lớn khuấy nhớt: - Để khảo sát giản đồ chuẩn số công suất khuấy ta tính công suất khuấy ứng với vận tốc khác cần đo lực - 12- Khuấy chất lỏng ma sát chất lỏng tác dụng lên cánh khuấy, lực cản phụ thuộc vào vận tốc chất lỏng độ nhớt chất lỏng - Độ nhớt dầu dầu = 51,84cP ; nhớt nhớt = 90,89cP Cùng tốc độ quay, lực ma sát dầu với cánh khuấy < lực ma sát nhớt với cánh khuấy Ở thí nghiệm ta chọn khỏang cách trường hợp nhau, khác chọn giá trị vận tốc đầu dầu nhỏ nhớt , giá trị lực ma sát dầu thay đổi không rõ ràng nhớt nên thí nghiệm với dầu ta cần chọn khỏang cách giá trị vận tốc nhiều để thấy rõ thay đổi lực ma sát Trong trường hợp có xoáy phễu? - Chất lỏng chuyển động thùng khuấy chịu tác dụng trường lực ly tâm cánh khuấy, bề mặt thoáng chất lỏng thiết bị từ phẳng chuyển thành parabol mà đáy tâm Hiện tượng gọi tạo phễu thiết bị khuấy Khi Rek ≥ 300 lưu chất chế độ chảy xoáy xuất xoáy phễu - Xoáy phễu có hại vì: * nh hưởng không tốt đến trình khuấy Từ phễu, khí xâm nhập vào môi trường lỏng giảm hiệu trình khuấy đồng thời cánh khuấy chịu tác dụng lực phụ làm tăng công suất khuấy * Tạo phân lớp cho trình khuấy trộn (do lực ly tâm, chất co kích thước lớn đẩy xa tâm, chất có kích thước nhỏ gần tâm) - Những phương pháp làm xoáy phễu là: * Đặt lệch tâm cánh khuấy vào bể khuấy, đặt nghiêng nằm ngang xoáy phễu tạo thành lệch tâm va đập vào thành dội ngược trở lại, phá vỡ lõm xoáy mà không làm tăng diện tích tiếp xúc, tăng lực ma sát tăng công suất động * Ghép chắn thùng khuấy: Ghép chặn thành thùng Đặt ống tuần hoàn trung tâm Đặt ống thẳng đứng thùng (ống dẫn chất lỏng, nhiệt kế…) Nếu có chặn: chất lỏng chuyển động rối va đập vào chặn truyền bớt lượng cho chặn giảm vận tốc chuyển động dọc theo biên chặn Sự hình thành xoáy phễu xuất vận tốc cao.Bề mặt xoáy có dạng lõm xuống tâm trọng lực lực ly tâm Nhận xét mức độ tin cậy phương pháp đồng dạng: - 13- Khuấy chất lỏng - Đồng dạng gì? Các tượng chất vật lý gọi đồng dạng với tất đại lượng đặc trưng chúng đồng dạng: điểm tương ứng, thời điểm tương tứng, tất đại lượng có hướng phải đồng dạng hình học, tất đại lượng vô hướng phải tương ứng tỷ lệ với - Mục đích phương pháp đồng dạng: Hai hệ thống đồng dạng sử dụng giản đồ công suất hệ thống nhỏ suy cho hệ thống lớn Hai mô hình đồng dạng đồng thời thỏa nội dung sau: - Đồng dạng hình học: kích thước hệ thống thực mô hình đồng dạng tương ứng tỷ lệ với - Đồng dạng động học: quỹ đạo chuyển động phần tử lưu chất tương ứng chúng đồng dạng hình học với nhau; giá trị vận tốc gia tốc điểm tương ứng thời điểm tương ứng tỷ lệ với - Đồng dạng động lực học: Tại điểm tương ứng có lực loại tác dụng; tỷ lệ giá trị lực loại tác dụng điểm tương ứng toàn thể tích hệ thống; lực tác dụng lên hệ thống thực định hướng lực tương ứng mô hình phải định hướng Mô hình thỏa mãn nội dung đồng dạng với hệ thống thực mô hình đồng dạng hoàn hảo Thực tế đạt mô hình gần vì: Các tiêu chuẩn đồng dạng thường không thỏa mãn: trường hợp cụ thể tùy thuộc vào chế độ động lực học vượt trội mô hình thiết bị thực tế mà người ta sử dụng đại lượng đặc trưng tương ứng xây dựng mô hình theo đại lượng đó, tiêu chuẩn cố gắng giảm khác biệt Kích thước không gian hệ thống khác biệt, mô hình nhỏ khó khăn thí nghiệm; mô hình lớn ảnh hưởng sức căng bề mặt trở nên rõ rệt làm sai lệch kết Không xem xét hết tất loại lực tác dụng lên hệ thống lớn, nhỏ (vì có lực bỏ qua xem xét mô hình nhỏ) Khi tính toán cho hệ thống nhỏ sai số nhỏ áp dụng cho hệ thống lớn đưa đến sai số lớn nhiều theo qui tắc đồng dạng Các sai số đọc lực kế, trục khuấy bị lệch tâm Do đó, đem mô hình gần áp dụng vào hệ thống thực, ta cần có hệ số hiệu chỉnh - 14- Khuấy chất lỏng Như phương pháp khuếch đại đồng dạng đáng tin cậy khoảng biến đối không lớn kích thước phải có yếu tố hình học hoàn toàn tương hợp Phân tích trường hợp “bồn nhớt 50m3”: Ta xây dựng bồn nhớt theo đồng dạng hình học (kích thước tỷ lệ) đồng dạng động học (căn đồ thị N p – Re) xác định công suất khuấy Theo cách ta mắc nhiều sai số, nguyên nhân do: - Sai số trình thí nghiệm: khoảng thời gian đọc lực kế, chỉnh vận tốc chưa xác, sai số tính toán, vẽ đồ thị… nhân lên nhiều lần - Chọn giá trị vận tốc để tính Re tra chuẩn số công suất giản đồ, ta phải chọn vận tốc nhỏ so với thực tế (thậm chí nhỏ thí nghiệm) giản đồ chứa giá trị Re < 300 đồ thị Công suất – Vận tốc vẽ tiên đoán khó áp dụng thực tế Chuyển sang giai đoạn chuyển giao công nghệ: Sau xây dựng thành công bồn 50m3, chuyển sang giai đoạn chuyển giao công nghệ, yêu cầu, ta đưa cho kỹ sư vận hành thiết bị giản đồ chuẩn so ácông suất theo vận tốc từ giản đồ ta xây dựng giản đồ công suất theo vận tốc mô hình, đồng dạng hay không đồng dạng hòan toàn VI PHỤ LỤC Đổi đơn vị số liệu : mã lực (HP) = 735,6 W lbf = 4,45 N inch = 0,0254 m 1vòng/phút = 1/60 vòng/s 1cP = 10-3Pa.s Các số liệu (tra bảng, đo) * Nhớt: = 852.15 Kg/m3 = 0.09089 N/sm Chiều cao cột nhớt: h = 28.4 cm Đường kính thùng :D = 25 cm * Daàu: = 811.75 Kg/m3 = 0.05184 N/sm * Đường kính cánh khuấy: CT2 : d= inch =0.0762m CT3 : d= 2.5 inch=0.0635m CP2 : d= inch=0.0762m - 15- Khuấy chất lỏng Công thức tính tóan Bảng số liệu Tính Re : áp dụng công thức (3) Tính P : áp dụng công thức (10) với r = inch=0.127 m Tính Np : áp dụng công thức (2) VII TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ môn Máy – Thiết bị trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, “ Giáo trình thí nghiệm trình – thiết bị” [2] Các tác giả, “ Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất”, Tập 1, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1999 [3] Nguyễn Văn Lụa, “ Các trình thiết bị hóa chất công nghệ hóa chất thực phẩm”, Tập 1, NXB Đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh, 2000 [4] Các tác giả, “ Quá trình thiết bị công nghệ hóa học”, Tập 10, NXB Trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh [5] Các tác giả, “ Giáo trình lưu chất”, NXB Trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh, tr 107-123 - 16-