Thí nghiệm quá trình thiết bị chương 1

Báo cáo thí nghiệm : KHUẤY CHẤT LỎNG I/ TRÍCH YẾU 1) Mục đích: − Khảo sát giản đồ công suất với nhiều hệ thống khuấy có hình dáng khác nhau. − Xem xét sự phụ thuộc của công suất khuấy trộn đối với các đại lượng : đặc tính chất lỏng, hình dạng cánh khuáy, chế độ khuấy 2) Tiến hành thí nghiệm : Thiết lập các hệ thống khuấy khác nhau về − loại cánh khuấy − chế độ khuấy(có và không có tấm chặn), − chất lỏng có độ nhớt và khối lượng riêng khác nhau. − Vận tốc khuấy.  Với mỗi thí nghiệm, ta thay đổi vận tốc khuấy và lần lượt đo các đại lượng : − Vận tốc khuấy N. − Lực cản F f của cánh khuấy qua lực kế lò xo. 3) Kết quả : − Mỗi thí nghiệm, từ các cặp số liệu (N, F f ) đo được  tính được các chuẩn số Re, Fr  tính được huẩn số công suất khuấy P 0 . − Tiếp đó, ta xây dựng giản đồ công suất khuấy đối với mỗi loại cánh khuấy ứng với các chế độ khuấy và chất lỏng khuấy. − Mục đích : đánh giá sự khác nhau về công suất khuấy ở mỗi chế độ khuấy (loại cánh khuấy, vận tốc khuấy, loại chất lỏng khuấy) • kiểm tra các chuẩn số đồng dạng • tiên đoán công suất của cánh khuấy qua chuẩn số công suất khuấy P 0 . • Rút ra nhận xét và bàn luận II/ LÝ THUYẾT a)Khái niệm khuấy − Khuấy là quá trình làm giảm sự không đồng nhất trong chất lỏng. Đó là sự chênh lệch về nồng độ, độ nhớt, nhiệt độ… ở những vò trí khác nhau trong lòng chất lỏng. Trang 1 Báo cáo thí nghiệm : KHUẤY CHẤT LỎNG b) Xác đònh công suất cánh khuấy P: − Công suất khuấy P phụ thuộc nhiều yếu tố được biễu như sau: ,,,,,,,( ZHDdNfP ρµ = các kích thước khác) Với: • Vận tốc của cánh khuấy N (vòng/s). • Đường kính của cánh khuấy d (m). • Đặc tính của chất lỏng: độ nhớt µ và khối lượng riêng ρ. • Mức chất lỏng trong bình chứa H (m). • Đường kính bình chứa D t (m) và nhiều thừa số hình dạng khác (S 1 , S 2 ) như loại cánh khuấy, hình dáng của bình chứa, số tấm chắn  Bằng phương pháp phân tích thứ nguyên, người ta thiết lập các phương trình chuẩn số tính công suất khuấy dưới dạng: ρ 53 dNNP p = Trong đó N p là chuẩn số công suất, phụ thuộc chế độ thủy động lực học của thiết bò: , ),(Re, GaFrfN p = • µ ρ Re 2 dN =  Chuẩn số Reynold của cánh khuấy, tỷ số giữa lực ly tâm & lực ma sát • g dN Fr . 2 =  Chuẩn số Froude, tỷ số giữa lực ly tâm & lực trọng trường, đặc trưng cho sự hình thành xoáy phễu. Có 3 phương pháp xác đònh chuẩn số công suất N p − Xác đònh N p theo phương pháp giải tích − Xác đònh N p theo phương trình chuẩn số − Xác đònh N p theo đồ thò (dùng giản đồ công suất).  Cách xác đònh Np dựa vào giản đồ chuẩnsố công suất : giữ cố đònh một trong hai thông số (giả sử là Re ở Re 1 ) làm thí nghiệm với các giá trò Fr 1, Fr 2 ,… => N P tương ứng. Sau đó thay đổi Re đến Re 2 , Re 3,… và ø cứ lặp lại quy trình.  Ta có thể dùng một mặt phẳng 3 chiều Re – Fr - N P để mô tả mối quan hệ Re – Fr - N P Từ giản đồ 3 chiều , ta có thể quy về giản đồ 2 chiều biểu thò mối quan hệ giữa N P và Re, bỏ qua ảnh hưởng của Fr ( do đa số hệ thống thực, Fr không phải là yếu tố ảnh Trang 2 Báo cáo thí nghiệm : KHUẤY CHẤT LỎNG hưởng quyết đònh lên N P . Fr thường chỉ tính đến khi mặt thoáng chất lỏng không còn ở dạng phẳng do ảnh hưởng của tốc độ quay c) Nguyên tắc khuếch đại đồng dạng − Hai hệ thống được gọi là đồng dạng hoàn toàn khi chúng thỏa mãn đồng thời : • Đồng dạng hình học : đồng dạng về kích thước và tỉ lệ hình học • Đồng dạng động học : đồng dạng hình học về đai lượng đặc trưng cho quỹ đạo chuyển đông ( vận tốc , gia tốc…) • Đồng dạng động lực học : đồng dạng về giá trò lưc tác dụng. − Mô hình đồng dạng hoàn toàn đòi hỏi tất cả các chuẩn số vôthứ nguyên tương ứng bằng nhau. − Khi thiết kế hệ thống khuấy lớn cho công nghiệp, người ta thường tạo một mô hình nhỏ rồi vẽ giản đồ công suất của mô hình này. Vì có đồng dạng hình học giữa hai hệ thống nhỏ và lớn nên giản đồ áp được cho cả haivà có thể dùng để tiên đoán công suất cũng như cường độ khuấy trong nhà máy: đây là nguyên tắc khuếch đại đồng dạng. − Thực tế rất khó thực hiện mô hình đồng dạng hoàn toàn, nếu hai hệ thống lớn nhỏ gần đống dạng nhưng có vài dò biệt thì ta có thể dùng hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm. 4). Tiên đoán 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. III/ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: 1)Dụng cụ: - 2 bình chứa dầu và nhớt. - 2 cánh khuấy turbine C T2 , C T3 và một cánh khuấy chân vòt C P2 . - 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 hộ số.Động cơ được đặt trwn ổ bi. - 1 lực kế lò xo 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). Trang 3 Báo cáo thí nghiệm : KHUẤY CHẤT LỎNG 2)Phương pháp đo: Nguyên tắc : − Khi cánh khuấy đang quay, lực ma sát truyền lên trục của động cơ và làm cho động cơ quay trên ổ bi. Gắn lực kế lò xo vào động cơ để hãm nó lại thì sức căng của lò xo ứng với lực ma sát F giữa chất lỏng và cánh khuấy. − Từ đó tính được công suất khuấy : P = 2π.F r N Với: R:khoảng cách từ vò trí gắn ló xo đến trục động cơ (trong bài r=5inch) F : lực ma sát giữa chất lỏng và cánh khuấy Vận tốc khuấy N: đọc thẳng trên vận tốc kế bằng đơn vò vòng/phút (rpm). 3) Chú ý khi thao tác : − Không cho máy chạy quá 1000vòng/phút, máy sẽ rung, nguy hiểm. − Vận tốc kế phải điều chỉnh ở thang đo thích hợp để tránh hư hỏng vận tốc kế. − Khi bật tắt động cơ hoặc thay đổi vận tốc khuấy, phải luôn giữ động cơ để tránh làm động cơ xoay mạnh, gây va chạm và hư máy. − Khi thao tác tháo, lắp trục khuấy và tấm chắn phải cẩn thận để tránh làm rơi xuống đáy bình làm vỡ bình chứa. − Trước khi dùng lực kế phải chỉnh về “0” (khi động cơ không hoạt động). − Khi quay hộp số để chỉnh vận tốc, phải tháo rời lò xo ra khỏi động cơ. 5) Cách tiến hành : − Thí nghiệm thực hiện với hai chất lỏng:ø nhớt và dầu. − Đối với nhớt:tiến hành với cả ba cánh khuấy CT2, CT3, CP2 và 5 chế độ vận tốc 200, 400, 600, 800, 1000 rpm. − với dầu chỉ dùng cánh khuấy CT2 , 5 chế độ vận tốc 50, 400, 700, 900, 1100 rpm. − Ứng với mỗi cah1 khuấy đo hai chế độ: có và không có tấm chặn.Vận tốc khuấy thay đổi từ 100-1100 rpm. − Trình tự tiến hành: − Kiểm tra hệ thống − Dời bình khuấy vào vò trí khuấy Trang 4 Báo cáo thí nghiệm : KHUẤY CHẤT LỎNG − Lắp trục cánh khuấy vào máy khuấy − Lắp tấm chặn ( tuỳ yêu cầu bài thí nghiệm) − Bật cầu dao, chỉnh thang đo vận tốc bằng núm vặn − Trả lưu kế và vận tốc kế về 0 − Bật máy , dùng tay giữ động cơ − Chỉnh vận tốc bằng hộp số(quan sát giá trò vận tốc trên kim đồng hồ ) − Móc lò xo vào lực kế. Thả tay giữ máy ra , đọc giá trò ghi trên lực kế − Chuyển sang vận tốc khác : dùng tay giữ máy , tháo lò xo ra, điều chỉnh lực kế vê 0 ,điều chỉnh vận tốc tiếp thheo − Kết thúc thí nghiệm: tháo lò xo ra , trả vận tốc kế về 0 , tắt máy , tắt cầu dao. IV/ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 4.1 Kết quả TN Kết quả tính cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T2 Chế độ khuấy N(v/ph) N(v/s) F(lbf) F(N) P(W) Re N p Không tấm chặn 200 3.3333 0.0300 0.1335 0.3551 181.4614 4.3796 400 6.6667 0.0400 0.1780 0.9469 362.9283 1.4598 600 10.0000 0.0800 0.3560 2.8408 544.3897 1.2976 800 13.3333 0.1200 0.5340 5.6815 725.8511 1.0949 1000 16.6667 0.1800 0.8010 10.6528 907.3180 1.0511 Trang 5 Báo cáo thí nghiệm : KHUẤY CHẤT LỎNG Kết quả tính cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T3 Chế độ khuấy N(v/ph) N(v/s) F(lbf) F(N) P(W) Re N p Không tấm chặn 200 3.3333 0.0200 0.0890 0.2367 126.0149 7.2642 400 6.6667 0.0300 0.1335 0.7102 252.0335 2.7244 600 10.0000 0.0500 0.2225 1.7755 378.0484 2.0181 800 13.3333 0.0900 0.4005 4.2611 504.0637 2.0433 1000 16.6667 0.1000 0.4450 5.9182 630.0819 1.4530 Kết quả tính cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C P2 Chế độ khuấy N(v/ph) N(v/s) F(lbf) F(N) P(W) Re N p Không tấm chặn 200 3.3333 0.0300 0.1335 0.3551 181.4614 4.3796 400 6.6667 0.0400 0.1780 0.9469 362.9283 1.4598 Trang 6 Chế độ khuấy N(v/ph) N(v/s) F(lbf) F(N) P(W) Re N p Có tấm chặn 200 3.3333 0.0400 0.1780 0.4735 181.4614 5.8400 400 6.6667 0.0600 0.2670 1.4204 362.9283 2.1897 600 10.0000 0.0900 0.4005 3.1958 544.3897 1.4598 800 13.3333 0.1400 0.6230 6.6284 725.8511 1.2773 1000 16.6667 0.2000 0.8900 11.8365 907.3180 1.1678 Chế độ khuấy N(v/ph) N(v/s) F(lbf) F(N) P(W) Re N p Có tấm chặn 200 3.3333 0.0400 0.1780 0.4735 126.0149 14.5316 400 6.6667 0.0500 0.2225 1.1837 252.0335 4.5407 600 10.0000 0.0700 0.3115 2.4857 378.0484 2.8253 800 13.3333 0.1000 0. 4450 4.7346 504.0637 2.2703 1000 16.6667 0.1200 0.5340 7.1019 630.0819 1.7436 Chế độ khuấy N(v/ph) N(v/s) F(lbf) F(N) P(W) Re N p Có tấm chặn 200 3.3333 0.0300 0.1335 0.3551 181.4614 4.3796 400 6.6667 0.0500 0.2225 1.1837 362.9283 1.8248 600 10.0000 0.0600 0.2670 2.1306 544.3897 0.9732 800 13.3333 0.0800 0.3560 3.7877 725.8511 0.7299 1000 16.6667 0.0900 0.4005 5.3264 907.3180 0.5255 Báo cáo thí nghiệm : KHUẤY CHẤT LỎNG 600 10.0000 0.0600 0.2670 2.1306 544.3897 0.9732 800 13.3333 0.0700 0.3115 3.3142 725.8511 0.6387 1000 16.6667 0.1100 0.4895 6.5101 907.3180 0.6423 Kết quả tính cho trường hợp khuấy dầu bằng cánh khuấy C T2 Trang 7 Chế độ khuấy N(v/ph) N(v/s) F(lbf) F(N) P(W) Re N p Không tấm chặn 50 0.8333 0.0050 0.0223 0.0148 75.7650 12.2648 400 6.6667 0.0100 0.0445 0.2367 606.1473 0.3831 700 11.6667 0.0500 0.2225 2.0714 1060.7555 0.6255 900 15.0000 0.0800 0.3560 4.2611 1363.8246 0.6054 1100 18.3333 0.1100 0.4895 7.1611 1666.8937 0.5573 Chế độ khuấy N(v/ph) N(v/s) F(lbf) F(N) P(W) Re N p Có tấm chặn 50 0.8333 0.0050 0.0223 0.0148 75.7650 12.2648 400 6.6667 0.0150 0.0668 0.3554 606.1473 0.5752 700 11.6667 0.0600 0.2670 2.4856 1060.7555 0.7506 900 15.0000 0.1600 0.7120 8.5222 1363.8246 1.2108 1100 18.3333 0.1800 0.80100 11.7181 1666.8937 0.9119 Báo cáo thí nghiệm : KHUẤY CHẤT LỎNG 4.2/ VẼ ĐỒ THỊ Giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T2 0 1 2 3 4 5 6 7 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Re Np co tam chan khong tam chan Giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T3 Trang 8 Báo cáo thí nghiệm : KHUẤY CHẤT LỎNG 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Re Np co tam chan khong tam chan Giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C P2 0 1 2 3 4 5 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Re Np co tam chan khong tam chan Giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp khuấy dầu bằng cánh khuấy C T2 Trang 9 Báo cáo thí nghiệm : KHUẤY CHẤT LỎNG -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Re Np co tam chan khong tam chan V/ TÍNH TOÁN Các thông số cần thiết: - Đường kính bình nhớt D N = 25.5cm - Đường kính cánh khuấy: CT 2 : d = 3 inch; CT 3 : d = 2,5 inch; CP 2 : d = 3 inch - Khối lượng riêng của nhớt và dầu lần lượt là: 3 /15,852 mkg N = ρ , 3 /75,811 mkg d = ρ - Độ nhớt của nhớt và dầu lần lượt là: cpcp dN 84,51,89,90 == µµ - Chiều cao mực chất lỏng: nhớt :H N = 26.5cm 1) Đổi dơn vò tính : - 1 mã lực (HP) = 735,6 W. - 1 lbf = 4,45 N. - 1 inch = 0,0254 m. - 1vòng/phút = 1/60 vòng/s. Trang 10