nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ của bơm bùn phân cá từ ao nuôi cá tra

Luận văn này trình bày các nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hiệu suất của bơm đặc biệt là hai thông số công nghệ: số cánh bơm và góc thoát của cánh bơm.. Phương

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PANGASIUS CATFISH PONDS

Chuyên ngành :Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2024

i

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học :TS.Tôn Thiện Phương

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 :TS.Nguyễn Minh Kỳ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 :TS.Trần Nguyên Duy Phương (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 11 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 GS.Nguyễn Hữu Lộc -Chủ tịch hội đồng

2 TS.Phạm Quang Trung -Thư ký 3 TS.Trần Nguyên Duy Phương -Phản biện 1 4 TS.Nguyễn Minh Kỳ -Phản biện 2 5 TS.Phạm Huy Hoàng -Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CỦA BƠM BÙN PHÂN CÁ TỪ AO NUÔI CÁ TRA

(Research On The Effects Of Technology Parameters Of Sludge Pumping From Pangasius Catfish Ponds)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tổng quan và nhu cầu về bơm bùn ao nuôi cá tra có hiệu suất cao - Tạo mô hình và mô phỏng bằng phần mềm Simcenter Star CCM+

- Phân tích ảnh hưởng các thông số công nghệ cho cánh bơm phù hợp cho quy trình hút bùn tự động trong ao cá tra

- Chế tạo mẫu cánh bơm để thực nghiệm

- Thực hiện thí nghiêm và đưa ra đường đặc tính của bơm

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/12/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Tôn Thiện Phương

iii

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy Tôn Thiện Phương về sự hướng dẫn tận tâm và kiên nhẫn trong suốt thời gian em thực hiện luận văn của mình Sự hỗ trợ của thầy đã giúp em vượt qua những khó khăn và thách thức, từ việc xác định đề tài cho đến việc hoàn thiện nội dung và biên tập cuối cùng Thầy là người thầy mẫu mực, luôn luôn sẵn sàng lắng nghe và tạo điều kiện cho em phát triển khả năng nghiên cứu và phân tích Thầy đã trang bị cho tôi kiến thức vững chắc và phương pháp nghiên cứu hiệu quả, giúp em tự tin hơn trong việc thực hiện luận văn của mình

Ngoài sự hướng dẫn tận tình của thầy, chúng tôi không thể hoàn thành luận văn nếu không có sự giúp đỡ của những người anh, người bạn trong PTN Thiết kế và Gia công tiên tiến Chúng tôi xin chân thành cảm ơn anh Huỳnh Mạnh Diễn đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ cho em trong việc gia công cánh bơm và làm thực nghiệm

Quan trọng nhất, chúng tôi xin cảm ơn gia đình - chỗ dựa vững chắc của chúng tôi Cảm ơn thật nhiều tới cô gái đã luôn bên cạnh động viên tôi những lúc khó khăn nhất

Cuối cùng, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn và chúc sức khỏe, thành công đến TS Tôn Thiện Phương cùng quý thầy cô khoa Cơ Khí Chúc cho những người bạn của tôi và bản thân nhóm tôi có một mùa bảo vệ Luận văn thật thành công

TP.HCM, ngày 22 tháng 12 năm 2023 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Dũng

iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay, sự phát triển của ngành nuôi trồng thủy sản đặc biệt là cá tra phát triển mạnh nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trong nước và phục vụ xuất khẩu Bên cạnh sự phát triển nhanh chóng đó cũng đặt ra thách thức lớn với việc xử lí bùn thải trong ao nuôi cá tra một cách có hiệu quả và kinh tế Từ nhu cầu thực tế đó, việc phát triển một loại bơm đặc dụng cho việc hút bùn trong ao nuôi cá tra tại Việt Nam là rất cần thiết Luận văn này trình bày các nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hiệu suất của bơm đặc biệt là hai thông số công nghệ: số cánh bơm và góc thoát của cánh bơm Từ việc nghiên cứu đó tiến hành thực nghiệm trên một mô hình nhỏ nhằm đánh giá lại kết quả mô phỏng và đưa ra đường đặc tính của bơm

v

ABSTRACT

Nowadays, the development of the aquaculture industry, particularly in catfish farming, has been booming to meet the domestic consumption demand and serve exports Alongside this rapid growth, it also poses significant challenges in efficiently and

economically treating waste sludge in catfish farming ponds From this practical need, the development of a specialized pump for sludge suction in catfish farming ponds in Vietnam is highly necessary This thesis presents research on the influence of technological

parameters on the performance of the pump, especially two technological parameters: the number of pump blades and the blade exit angle Based on this research, experiments were conducted on a small-scale model to reevaluate the simulation results and establish the pump's characteristic curve

vi

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan rằng:

Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này hoàn toàn trung thực và chưatừng được sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình của tác giả khác Những sốliệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, đánh giá được tham khảo có ghitrong phần tài liệu tham khảo

TP HỒ CHÍ MINH, ngày 10 tháng 12 năm 2023 Sinh viên thực hiện

(Họ tên và chữ ký)

Nguyễn Văn Dũng

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 2

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 9

1.3 Lí do chọn đề tài 9

1.4 Mục tiêu của đề tài 10

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT 11

2.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bơm li tâm 11

2.2 Phân loại cánh bơm 12

2.3 Nguyên lý động lực học của bơm ly tâm 14

2.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của bơm 15

2.4.1 Ảnh hưởng của không khí tự do trong chất lỏng của bơm 15

2.5.1.2Phương trình sử dụng trong phần mềm mô phỏng 28

2.5.2 Mô hình dòng chảy nhớt xoáy 29

2.5.2.1Phương trình cơ bản 29

2.5.2.2Phương trình sử dụng trong phần mềm mô phỏng 32

2.5.3 Mô hình K-epsilon turbulent 32

2.5.3.1Phương trình cơ bản 33

viii

2.5.3.2Phương trình sử dụng trong phần mềm mô phỏng 33

2.5.4 Dòng hai pha Lagrangian 34

2.5.4.1Phương trình cơ bản 34

2.5.4.2Phương trình sử dụng trong phần mềm mô phỏng 36

2.5.5 Tính toán chiều cao cột áp và hiệu suất 37

2.5.5.1Tính toán chiều cao cột áp 37

2.5.5.2Tính toán hiệu suất của bơm 38

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH MÔ PHỎNG BƠM 39

3.1 Thông số mô phỏng bơm 39

3.2 Quy trình thực hiện mô phỏng 39

3.3 Mô phỏng bơm 40

3.3.1 Mô phỏng sự ảnh hưởng của số cánh đến hiệu suất 40

3.3.1.1Phân bố áp suất trên cánh bơm 45

3.3.1.2Phân bố vận tốc trên cánh bơm 47

3.3.1.3Kết luận 51

3.3.2 Mô phỏng sự ảnh hưởng của góc thoát đến hiệu suất 52

3.3.2.1Phân bố áp suất trên cánh bơm 54

3.3.2.2Phân bố vector vận tốc trên cánh bơm 55

5.2 Phương hướng phát triển của đề tài 67

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 71

ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Phương pháp hút bùn hiện tại 2

Hình 1.2 Mô hình cánh quạt trong nghiên cứu của Honggeng Zhu a) lưỡi cong ngược, b) lưỡi cong về phía trước, c) lưỡi thẳng [1] 3

Hình 1.3 Hình dạng bơm trong nghiên cứu của Honggeng Zhu [1] 3

Hình 1.4 Đường đặc tính Q-H trong nghiên cứu của Honggeng Zhu [1] 4

Hình 1.5 Đường đặc tính Q-P trong nghiên cứu của Honggeng Zhu [1] 4

Hình 1.6 Đường đặc tính Q- η trong nghiên cứu Honggeng Zhu [1] 4

Hình 1.7 Kết quả mô phỏng của Liu Houlin 5

Hình 1.8 Sự ảnh hưởng của số cánh tới chiều cao cột áp và hiệu suất [2] 5

Hình 1.9 Mô hình nghiên cứu của Krisna Eka Kurniawan (a) No Splitter b) Splitter 0.25L, (c) Splitter 0.375L, (d) Splitter 0.5L [3] 6

Hình 1.10 Sơ đồ thí nghiệm của Krisna Eka Kurniawan [3] 6

Hình 1.11 Liên hệ giữa lưu lượng Q và chiều cao cột áp H với các chiều dài cánh phụ trong nghiên cứu Krisna Eka Kurniawan [3] 7

Hình 1.12 Mối liên hệ giứa lưu lượng Q và hiệu suất η [3] 7

Hình 1.13 Mô hình 2D và 3D của cánh bơm 8

Hình 1.14 Phân bố áp suất trên cánh bơm trong nghiên cứu của Hongchang Ding 8

Hình 1.15 Kết quả mô phỏng trong nghiên cứu của Hongchang Ding 9

Hình 2.1 Cấu tạo của bơm ly tâm 11

Hình 2.2 Cánh bơm hở 13

Hình 2.3 Cánh bơm nửa hở 13

Hình 2.4 Cánh bơm kín 14

Hình 2.5 Biểu đồ vận tốc cho cánh bơm hướng tâm [5] 15

Hình 2.6 Ảnh hưởng của không khí lên hiệu suất của bơm.[6] 17

Hình 2.7 Ảnh hưởng vận tốc, hình dạng của cánh bơm đến hiệu suất của bơm [6] 18Hình 2.8 Tấm che 19

Hình 2.9 Ảnh hưởng của độ nhám tấm che đến hiệu suất của bơm [6] 20

Hình 2.10 Ảnh hưởng của độ nhám tấm che đến hiệu suất của bơm 21

Hình 2.11 Phân bố của Cuf ở bán kính ngoài R2, trong không gian giữa cánh và vỏ [6] 23

x

Hình 2.12 Ảnh hưởng của Cui đối với công suất khôi phục từ ma sát đĩa [6] 23

Hình 2.13 Sự tuần hoàn tại đường thoát của bơm với dòng chảy rũ xuống [6] 24

Hình 2.14 Sự tuần hoàn đường thoát của bơm với dòng chảy hướng lên [6] 25

Hình 2.15 Đường cong hiệu suất với cánh bơm có lỗ [6] 25

Hình 2.16 Tuần hoàn ở đầu vào của bơm ly tâm [6] 26

Hình 2.17 Ảnh hưởng tuần hoàn đến phân bố áp suất trong đường ống hút.[6] 26

Hình 2.18 Ảnh hưởng tuần hoàn đến phân bố áp suất trong đường ống hút 27

Hình 2.19 Chuyển động của phần tử chất lỏng trong dòng chảy rối 30

Hình 2.20 Chuyển động Brownian và chuyển động hỗn loạn (Turbulent) của các hạt 30

Hình 2.21 Sự vận chuyển các năng lượng giữa các hạt trong dòng chảy 31

Hình 2.22 Sơ đồ phân bố lực lên hạt di chuyển trong dòng lưu chất 35

Hình 2.23 Sơ đồ phân bố lực lên hạt di chuyển một góc trong dòng lưu chất 35

Hình 3.1 Sơ đồ thực hiện mô phỏng của bơm 40

Hình 3.2 Mô hình cánh bơm (a) bảy cánh, (b) tám cánh, (c) chín cánh, (d) mười cánh 41

Hình 3.3 Bản vẽ 2D của cánh bơm 42

Hình 3.4 Kết quả chia lưới cho mô hình chín cánh 43

Hình 3.5 Thiết lập miền tính toán (a) vùng dòng chảy của chất lỏng (b) vùng quay của cánh bơm 43

Hình 3.6 Hội tụ của mô hình chín cánh 44

Hình 3.7 Áp suất tại mặt cắt bơm (a) bảy cánh, (b) tám cánh, (c) chín cánh,(d) mười cánh 46

Hình 3.8 Vùng áp suất âm (a) bảy cánh (b) tám cánh (c) chín cánh (d) mười cánh 47Hình 3.9 Phân bố vận tốc lưu trên cánh bơm 48

Hình 3.10 Vùng áp suất trong bơm bảy cánh 49

Hình 3.11 Dòng phản lực trong bơm bảy cánh 49

Hình 3.12 Sự giảm dần của dòng phản lực khi cánh tăng lên (a) tám cánh (b) chin cánh (d) mười cánh 50

Hình 3.13 Vùng tuần hoàn (a) bảy cánh (b) tám cánh (c) chin cánh (d) mười cánh 51Hình 3.14 Chiều cao cột áp với số cánh khác nhau 52

xi

Hình 3.15 Hiệu suất của bơm với số cánh khác nhau 52

Hình 3.16 Hội tụ của mô hình tám cánh 53

Hình 3.17 Áp suất tại mặt cắt bơm với các góc thoát, (a) 40o, (b) 50o, (c) 60o, (d) 70o 55

Hình 3.18 Vận tốc của lưu chất trong bơm với góc thoát khác nhau (a) 40o, (b) 50o, (c)60o, (d) 70o 56

Hình 3.19 Chiều cao cột áp với góc thoát khác nhau 57

Hình 3.20 Hiệu suất với góc thoát khác nhau 57

Hình 3.21 Khối lượng bùn mà bơm hút được 58

Hình 3.22 Đường đặc tính của bơm 58

Hình 4.1 Sơ đồ mô hình thực nghiệm 59

Hình 4.2 Mô hình thí nghiệm 60

Hình 4.3 Máy CNC Haas VF2 60

Hình 4.4 Gia công cánh bơm 61

Hình 4.5 Cánh bơm sau gia công 61

Hình 4.6 Lắp ráp bơm và cánh bơm 61

Hình 4.7 Đường đặc tính của bơm khi thực nghiệm 62

Hình 4.8 Đánh giá lưu lượng giữa mô phỏng và thực tế 63

Hình 4.9 Biên dạng cánh bơm FN-35P 63

Hình 4.10 Đường đặc tính của bơm FN-35P [17] 64

Hình 4.11 Kết quả cánh bơm mới với bơm FN-35P 64

Bảng 3.5 Thông số thiết lập mô phỏng 45

Bảng 3.6 Chiều cao cột áp và hiệu suất của từng cánh bơm 51

Bảng 3.7 Thông số cánh với góc thoát khác nhau 53

Bảng 3.8 Chiều cao cột áp và hiệu suất của bơm với góc thoát khác nhau 56

Bảng 4.1 Kết quả thí nghiệm 62

Bảng 4.2 Thông số bơm FN-35P 63

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Cá tra là một trong những mặt hàng chủ lực của ngành chăn nuôi thủy sản quan trọng tại Việt Nam, đặc biệt là trong những năm gần đây Cá tra là một loại cá nước ngọt có giá trị thương mại cao và được xuất khẩu rộng rãi Việt Nam là nước sản xuất cá tra lớn nhất thế giới Liên minh Châu Âu (EU) là thị trường chính, chiếm 22,5% lượng tiêu thụ thịt thăn, tiếp theo là Hoa Kỳ (20,4%) và các nước ASEAN Tổng sản lượng đã tăng lên trong những năm gần đây, từ 37.500 tấn năm 2001 lên 1,3 triệu tấn năm 2012 Để duy trì và phát triển ngành nuôi cá tra, nông dân phải đối mặt với nhiều thách thức, trong đó một trong những thách thức quan trọng nhất là vấn đề quản lý bùn đáy ao nuôi Bùn, sản phẩm phụ của quá trình phân hủy chất hữu cơ, là vấn đề phổ biến trong nuôi cá da trơn Nó bao gồm thức ăn thừa, chất thải của cá, xác tảo tàn lắng Sự hiện diện của bùn trong ao có thể gây ảnh hưởng bất lợi đến sự phát triển và tăng trưởng của cá tra/basa Nó không chỉ thải ra các khí độc hại như amoniac và hydro sunfua mà còn thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh, dẫn đến bùng phát dịch bệnh trong quần thể cá Do vậy thời gian định kì để hút bùn trong ao nuôi cá tra trong ao là 2 tháng/lần

Ở nước ta hiện nay diện tích ao nuôi cá tra là rất lớn, chỉ tính riêng diện tích ao nuôi cá tra tại đồng bằng sông Cửu Long đã lên tới 6600 hecta Với tần số hút bùn là 2 tháng/lần thì nhu cầu hút bùn là rất lớn Tuy nhiên, trên thị trường nước ta hiện nay chưa có hệ thống hút bùn có hiệu suất cao để đáp ứng nhu cầu ngày một cao này

Ngành chăn nuôi thủy hải sản đang phát triển mạnh mẽ ở nước ta Bên cạnh nhu cầu ngày một tăng đó, nhu cầu hút bùn để vệ sinh ao nuôi thường xuyên cũng ngày một tăng cao Nhưng thực tế hiện nay ở Việt Nam việc hút bùn còn nhiều bất cập do sử dụng nhân công để hút bùn Việc hút bùn hiện nay hoàn toàn do đội thợ lặn cầm đầu hút của máy bơm và mang đầu hút xuống dưới đáy ao để hút bùn (Hình 1.1) Việc làm này vừa tốn kém lại vừa không hiệu quả

2

Do đó nhu cầu về một hệ thống hút bùn tự động hóa có hiệu suất cao nhằm giải phóng sức lao động là việc làm cấp thiết hiện nay Để hệ thống tự động hóa đó đạt được hiệu suất cao thì bơm bùn tương ứng cũng phải có hiệu suất cao nhằm giảm chi phí và giảm thời gian hút bùn

Thực tế hiện nay, các dòng bơm bùn hiện nay của Việt Nam chủ yếu được nhập từ nước ngoài Do đó những bơm bùn này phần nào còn chưa phù hợp với điều kiện thực tế tại vùng ao nuôi cá tra Các bơm bùn của nước ngoài thích hợp cho việc bơm bùn phù sa hoặc bơm bùn đặc Mà điều kiện ở ao nuôi cá tra là bùn loãng với mật độ các chất rắn không hòa tan là 20%

Từ những thực tế trên, ta có thể thấy rằng tiềm năng của nghiên cứu ra một loại bơm bùn trong ao nuôi cá tra có hiệu suất cao là rất lớn Việc nghiên cứu chế tạo thành công bơm bùn sẽ có ý nghĩa rất lớn tới ngành nuôi trồng thủy sản nói riêng và việc tự chủ công nghệ của Việt Nam nói chung

Hình 1.1 Phương pháp hút bùn hiện tại

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới, các đã có những nghiên cứu về các thông số đặc tính của bơm li tâm Qua những nghiên cứu đó, những thông số công nghệ ảnh hưởng đến hiệu suất của bơm đã được nghiên cứu tiêu biểu như số cánh bơm, góc thoát cánh bơm, Từ những kết quả đó ta có thể áp dụng để cải tiến hiệu suất bơm bùn tại Việt Nam

3

Có rất nhiều bài báo nghiên cứu về sự ảnh hưởng của cánh bơm đến hiệu suất của bơm tiêu biểu như của Honggeng Zhu về các biên dạng của cánh quạt ảnh hưởng đến việc hút bùn ở Trung Quốc [1] Bài báo nghiên cứu về ba loại cánh bơm: lưỡi cong ngược (backward bent blades), lưỡi cong về phía trước (forward bent blades) và lưỡi thẳng (traight blades) Ba loại lưỡi được mô tả trong Hình 1.2, Hình 1.3 thể hiện hình dạng bơm trong nghiên cứu của Honggeng Zhu Hình 1.4, Hình 1.5, Hình 1.6 là các đường đặc tính của các cánh bơm sau khi mô phỏng Kết quả là loại cánh quạt có dạng lưỡi cong ngược cho hiệu suất thủy lực cao nhất, loại lưỡi cong về phía trước có hiệu suất thủy lực là thấp nhất

4

Hình 1.4 Đường đặc tính Q-H trong nghiên cứu của Honggeng Zhu [1]

Hình 1.5 Đường đặc tính Q-P trong nghiên cứu của Honggeng Zhu [1]

Hình 1.6 Đường đặc tính Q- η trong nghiên cứu Honggeng Zhu [1]

5

Nghiên cứu của Liu Houlin về sự ảnh hưởng của số cánh quạt đến các hiệu suất của bơm li tâm [2] Nghiên cứu của Sujoy Chakraborty được thực hiện với số cánh bơm từ 4-7 cánh tại ba dải tốc độ: 2900 v/ph Kết quả mô phỏng được thể hiện trong Hình 1.7 cho thấy chiều cao cột áp càng lớn khi số cánh càng tăng Hình 1.8 cho thấy số cánh càng nhiều thì chiều cao cột áp của bơm càng lớn Hình 1.8 thể hiện kết quả nghiên cứu của Liu, với số cánh là 7 thì bơm có hiệu suất cao nhất là 76.1%

Hình 1.7 Kết quả mô phỏng của Liu Houlin

Hình 1.8 Sự ảnh hưởng của số cánh tới chiều cao cột áp và hiệu suất [2]

6

Nghiên cứu của Krisna Eka Kurniawan về cải thiện hiệu suất của bơm ly tâm thông qua việc bổ sung các lưỡi tách trên bơm cánh quạt [3] Nghiên cứu sử dụng cánh bơm có bề rộng 4mm, chiều dài 123 mm (L=123 mm), tốc độ quay: 2400 v/ph Nghiên cứu thêm 3 cánh phụ với chiều dài lần lượt là 0.25L, 0375L và 0.5L Sơ đồ thí nghiệm được mô tả trong hình Mẫu thí nghiệm được mô tả trong Hình 1.9, Hình 1.10 Kết quả (Hình 1.11, Hình 1.12)cho thấy với cùng lưu lượng đầu ra thì chiều dài cánh phụ là 0.5L cho chiều cao cột áp cao nhất

Hình 1.9 Mô hình nghiên cứu của Krisna Eka Kurniawan (a) No Splitter b) Splitter 0.25L, (c) Splitter 0.375L, (d) Splitter 0.5L [3]

Hình 1.10 Sơ đồ thí nghiệm của Krisna Eka Kurniawan [3]

8

Đối với phần nghiên cứu sự ảnh hưởng của góc thoát cánh bơm tới hiệu suất của bơm có nghiên cứu của Hongchang Ding với góc thoát 23o, 25o, 27o, 29o, 31o [4] Mô hình cánh quạt được sử dụng trong bài nghiên cứu được thể hiện trong Hình 1.13

Hình 1.13 Mô hình 2D và 3D của cánh bơm

Kêt quả bài mô phỏng của Hongchang Ding cho thấy áp suất gần lưỡi sẽ tăng khi góc thoát của lưỡi dao tăng ở điều kiện tốc độ dòng chảy thấp (Hình 1.14) , và với góc thoát của cánh là 23o cho hiệu suất cao khi dòng chảy lớn (Hình 1.15)

Hình 1.14 Phân bố áp suất trên cánh bơm trong nghiên cứu của Hongchang Ding

9

Hình 1.15 Kết quả mô phỏng trong nghiên cứu của Hongchang Ding

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay các nghiên cứu về máy bơm li tâm trong nước còn nhiều hạn chế và không thật sự chất lượng, chỉ dừng lại ở việc tìm hiểu tổng quan và đề ra phương hướng nghiên cứu chứ chưa đi vào mô phỏng và tối ưu các biên dạng của bơm

1.3 Lí do chọn đề tài

Nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ của bơm bùn phân cá từ ao nuôi cá tra là một đề tài vô cùng quan trọng, với tầm quan trọng không thể bỏ qua Một trong những khía cạnh quan trọng của nghiên cứu này là khả năng cải thiện hiệu suất sản xuất trong ngành nuôi cá tra Điều này đồng nghĩa với việc tối ưu hóa các thông số công nghệ của bơm bùn phân cá, tạo điều kiện thuận lợi để gia tăng năng suất cho hệ thống hút bùn tự động Sự cải tiến này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần tạo ra môi trường nuôi cá hiệu quả hơn Nghiên cứu cũng làm giảm chi phí hoạt động và tiết kiệm nguồn nhân công trong quá trình hút bùn thủ công Trong điều kiện Việt Nam hiện nay, nguồn lao động dồi dào sẽ giúp tăng trưởng kinh tế mạnh hơn Nguồn nhân công từ thợ lặn hút bùn có thể chuyển dịch qua những ngành nghề khác Hơn nữa, việc cải thiện hiệu suất cho việc hút bùn làm giảm nguy cơ nhiễm bệnh cho cá tra bởi quá trình tích tụ bùn thải Với hệ thống

Vì vậy, nghiên cứu này không chỉ mang lại lợi ích rõ rệt về cải thiện hiệu suất, giảm chi phí, và bảo vệ môi trường, mà còn hứa hẹn tạo nên cơ hội phát triển và đổi mới trong ngành nuôi cá và công nghiệp sản xuất bơm cho Việt Nam

1.4 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài:

- Mô phỏng sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đén hiệu suất bơm bùn bằng phần mềm star SSM+

- Thực nghiệm và so sanhs kết quả với kết quả mô phỏng bằng phần mềm CFD

11

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bơm li tâm

Cấu tạo của bơm gồm (Hình 2.1) gồm những bộ phận sau:

- Bánh công tác: kết cấu có ba dạng chính là cánh mở hoàn toàn, mở một phần và cánh kín Bánh công tác được lắp trên trục của bơm cùng với các chi tiết khác cố định với trục tạo nên phần quay của bơm gọi là Rôto Bánh công tác được đúc bằng gang hoặc thép theo phương pháp đúc chính xác Các bề mặt cánh dẫn và đĩa bánh công tác yêu cầu có độ nhẵn tương đối cao để giảm tổn thất Bánh công tác và Rôto của bơm đều phải được cân bằng tĩnh và cân bằng động để khi làm việc bánh công tác không cọ xát vào thân bơm

- Trục bơm: thường được chế tạo bằng thép hợp kim và được lắp với bánh công tác thông qua mối ghép then

- Bộ phận dẫn hướng vào Hai bộ phận này thuộc thân bơm thường - Bộ phận dẫn hướng ra (buồng xoắn ốc) đúc bằng gang có hình dạng

12

Bơm ly tâm sử dụng lực ly tâm để vận chuyển chất lỏng từ của hút qua cửa xả Khi bơm làm việc, bánh công tác quay, các phần tử chất lỏng ở trong bánh công tác dưới ảnh hưởng của lực ly tâm bị văng từ trong ra ngoài, chuyển động theo các máng dẫn và đi vào ống đẩy với áp suất cao hơn, đó là quá trình đẩy của bơm Đồng thời, ở lối vào của bánh công tác tạo nên vùng có chân không và dưới tác dụng của áp suất trong bể chứa lớn hơn áp suất ở lối vào của bơm, chất lỏng ở bể hút liên tục bị đẩy vào bơm theo ống hút, đó là quá trình hút của bơm Quá trình hút và đẩy của bơm là quá trình liên tục, tạo nên dòng chảy liên tục qua bơm

Bộ phận dẫn hướng ra (thường có dạng xoắn ốc nên còn gọi là buồng xoắn ốc) để dẫn chất lỏng từ bánh công tác ra ống đẩy được điều hòa, ổn định và còn có tác dụng biến một phần động năng của dòng chảy thành áp năng cần thiết

2.2 Phân loại cánh bơm

Hiện nay, các bơm ly tâm gồm có 3 loại chính sau: cánh bơm mở hoàn toàn, cánh bơm nửa hở và cánh bơm đóng

- Cánh bơm hở (Hình 2.2): là loại cánh hở có các gạt nước ở hai bên mà không có tấm bọc bảo vệ Do không có tấm bảo vệ, nên cánh hở có công suất yếu và thường được lắp trong các máy bơm cỡ nhỏ, khả năng vận hành với hiệu suất không cao Cánh hở có thể xử lý được một hàm lượng hạt rắn nhất định trong chất lỏng

Ưu điểm:

 Xử lý được một hàm lượng hạt rắn nhất định trong chất lỏng  Dễ vệ sinh và bảo trì

Nhược điểm:

 Loại bơm có công suất nhỏ

 Hiệu suất thấp hơn so với 2 loại bơm còn lại  Yêu cầu chỉ số NPSH cao để giảm mài mòn

13

Hình 2.2 Cánh bơm hở

- Cánh bơm nửa hở (Hình 2.3): Là loại cánh được trang bị thêm tấm bọc bảo vệ ở một bên phía sau giúp tăng thêm hiệu suất cơ học cho các gạt nước, còn phía bên kia thì vẫn ở dạng hở Cánh bán hở phù hợp để lắp đặt cho các máy bơm cỡ trung, có khả năng xử lý một lượng nhỏ nồng độ hạt rắn mềm trong chất lỏng

Ưu điểm:

 Được sử dụng với chất lỏng có hạt mài mòn bụi bẩn  Độ bền cao hơn so với Cánh bơm công tác mở  Hiệu suất cao hơn bánh công tác mở

 Yêu cầu chỉ số NSPH vừa phải

Nhược điểm:

 Hiệu suất thấp hơn cánh bơm kín

Hình 2.3 Cánh bơm nửa hở

14

- Cánh bơm đóng (Hình 2.4): giống như cánh bán hở, nhưng loại cánh này được trang bị tấm bọc bảo vệ ở cả hai mặt trước và sau cánh giúp tăng cường tối đa hiệu năng của cánh bơm

Hình 2.4 Cánh bơm kín

Trong ba kiểu thiết kế của cánh bơm vừa nêu, loại cánh bơm nửa mở tuy có hiệu suất thấp hơn loại cánh bơm đóng nhưng nó yêu cầu chỉ số NPSH vừa phải, có hiệu suất cao hơn loại cánh mở và phù hợp với việc hút bùn chống mài mòn

2.3 Nguyên lý động lực học của bơm ly tâm

Bơm ly tâm là máy thủy lực, trong đó bánh quạt quay liên tục truyền công cơ học từ động cơ vào chất lỏng Quá trình năng lượng xảy ra qua hai giai đoạn liên tiếp Ở giai đoạn đầu tiên, chuyển động quay của bánh quạt gây ra sự tăng động năng của chất lỏng Ở giai đoạn thứ hai, khi chất lỏng đi qua một số kênh có diện tích cắt ngang khác nhau, năng lượng động được chuyển đổi thành năng lượng áp

15

suất tiềm năng Dòng chảy qua bánh quạt thường được biểu thị bằng các tam giác vận tốc (biểu đồ vector) (Hình 2.5)

Hình 2.5 Biểu đồ vận tốc cho cánh bơm hướng tâm [5]

Phương trình cơ bản (2.1) [5] mô tả mối quan hệ giữa dòng chảy của chất lỏng lý tưởng và năng lượng theo phương trình động lượng Euler như sau:

(2.1) Trong trường hợp của bơm, moment M của cánh được truyền tới chất lỏng Nếu vận tốc góc ủa trục là w thì phương trình năng lượng của cánh bơm được mô tả trong (2.2) [5] bên dưới:

(2.2)

2.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của bơm

2.4.1 Ảnh hưởng của không khí tự do trong chất lỏng của bơm

16

Sự hiện diện của không khí tự do (hoặc bất kỳ loại khí nào khác) trong chất lỏng được bơm luôn ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của bơm ly tâm Không khí tự do có thể xuất hiện trong quá trình vận hành và làm gián đoạn hoạt động của máy bơm Khi hỗn hợp chất lỏng và không khí đi vào bánh công tác, lực ly tâm do các cánh quay tạo ra sẽ đẩy chất lỏng nặng hơn ra ngoài, do đó giữ không khí ở giữa máy bơm Trong những điều kiện nhất định, nhiều không khí có thể tích tụ trong mắt của bánh công tác đến mức nó tách hoàn toàn chất lỏng trong đường hút khỏi chất lỏng ở bán kính ngoài của bánh công tác Do đó, điều này sẽ làm gián đoạn quá trình bơm Việc gián đoạn hoạt động bơm phụ thuộc vào nguồn không khí đi vào máy bơm, tốc độ dòng không khí đi vào cũng như nhiệt độ và áp suất tại mắt cánh, quạt Đặc biệt trong quá trình hút bùn thải, do bùn tích tụ lâu ngày nên tích tụ nhiều chất khí, những chất khí này có thể gây tác động xấu đến hiệu suất của bơm Không khí (hoặc khí) có thể bị hòa tan trong chất lỏng được bơm Độ hòa tan của khí trong chất lỏng giảm khi nhiệt độ của chất lỏng tăng và cũng như khi giảm áp suất Do đó, không khí có xu hướng tách ra khỏi dung dịch khi đi vào mắt bánh công tác, nơi áp suất thường thấp nhất.[6]

Một thí nghiệm cho bơm có tốc độ 2270 v/p xử lí hỗn hợp khí và nướcKhi tỷ lệ phần trăm thể tích khí tăng lên trên 10%, máy bơm mất áp suất và ngừng cung cấp chất lỏng Các thử nghiệm tương tự đã được thực hiện với một máy bơm có tốc độ khoảng 600 v/p Trong trường hợp đó, máy bơm mất ưu thế ở tỷ lệ phần trăm thể tích của không khí là 6% Những thử nghiệm này nêu bật tầm quan trọng của hình dạng cánh quạt đối với khả năng xử lý không khí của máy bơm ly tâm Tham khảo Hình 2.7 chúng ta thấy rằng một máy bơm có tốc độ 600 v/p có đường kính mắt tương đối nhỏ và rất hẹp Một lượng không khí nhỏ có thể ngăn chặn hoàn toàn dòng chất lỏng trong máy bơm như vậy Ngoài ra, khoảng cách giữa bán kính của đầu vào và đầu ra tương đối lớn Điều này giúp lực ly tâm do cánh quạt tạo ra có đủ thời gian để tách không khí ra khỏi chất lỏng Ngược lại, một máy bơm có tốc độ cụ thể là 2270 v/p có đường kính mắt lớn hơn nhiều và bánh công tác của nó rộng hơn đáng kể Trong một máy bơm như vậy, cần có một lượng không khí lớn hơn đáng kể để ngăn dòng chất lỏng Khoảng cách giữa bán kính của đầu vào và đầu ra của

17

cánh quạt cũng nhỏ hơn đáng kể Do đó, các cánh bơm tiếp xúc với chất lỏng trong khoảng thời gian ngắn hơn Do đó, máy bơm được trình bày trong Hình 2.10 có thể xử lý tới 10% lượng không khí bị cuốn vào trước khi mất đi tính ưu việt Nói chung, khả năng xử lý không khí của cánh quạt tăng theo tốc độ cụ thể của nó Ví dụ, một cánh quạt hướng trục có khả năng xử lý hỗn hợp chất lỏng-không khí miễn là có chất lỏng có trong các cánh cánh quạt Dữ liệu được trình bày trong Hình 2.6 và các ấn phẩm khác chỉ có thể dùng làm minh họa về tác động của sự hiện diện của không khí tự do trong chất lỏng được bơm Trong nhiều trường hợp, đặc biệt là khi không khí đi vào máy bơm, kết quả phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và áp suất của chất lỏng

Hình 2.6 Ảnh hưởng của không khí lên hiệu suất của bơm.[6]

19

các ống không tròn hoặc các kênh hở, đường kính ống dùng trong các phương trình tính tổn thất do ma sát thường được thay thế bằng tỷ số giữa diện tích mặt cắt ngang của chất lỏng chia cho chu vi ướt của ống dẫn Trước đây, những nỗ lực tính toán tổn thất trong máy bơm ly tâm đã sử dụng các phương pháp tương tự được sử dụng để tính toán tổn thất trong ống dẫn Điều này thường dẫn đến những kết quả rất đáng thất vọng, vì trong máy bơm ly tâm, tổn thất do ma sát gây ra phức tạp hơn nhiều so với tổn thất trong đường ống cố định

Hình 2.8 Tấm che

Ma sát đĩa trong kỹ thuật bơm ly tâm là tổn thất ma sát do chất lỏng giữa vỏ cánh quạt và vỏ bơm gây ra Trong số tất cả các tổn thất do ma sát (tổn thất trong vòng bi và vòng đệm, tổn thất do ma sát của đĩa), tổn thất điện năng do ma sát của đĩa thường chiếm ưu thế Vì ma sát đĩa là kết quả của ma sát nhớt giữa chất lỏng quay trong khe hở bên (ở tốc độ chu vi khác với tốc độ của bánh công tác) và bề mặt bên ngoài của bánh công tác, ma sát đĩa đối với bánh công tác đóng lớn hơn so với bánh công tác mở có một tấm che (impeller shrouds), Hình 2.8 Sự mất mát năng lượng do ma sát đĩa gây ra thường ảnh hưởng bởi độ nhám bề mặt

Hình 2.9 và Hình 2.10 cho thấy tác động của việc tăng ma sát đĩa bằng cách phủ cát lên các tấm che Độ nhám của tấm che tăng lên đòi hỏi mức tiêu thụ điện năng lớn hơn, do đó làm giảm hiệu quả Tuy nhiên, không phải toàn bộ năng lượng

21

Hình 2.10 Ảnh hưởng của độ nhám tấm che đến hiệu suất của bơm Sự khác biệt giữa các giá trị Cuf gần bề mặt quay và bề mặt đứng yên tạo ra chuyển động tuần hoàn của chất lỏng [7-10], như được minh họa bằng các mũi tên trong Hình 2.11 Khi chúng ta thay đĩa quay bằng một bánh công tác (Hình 2.16), một số chất lỏng chịu tác động của các tấm che có thể bắt đầu tương tác với chất lỏng thoát ra từ bánh công tác, do đó thiết lập một vòng thứ cấp hoặc tuần hoàn Điều này được thể hiện dưới dạng sơ đồ bằng các mũi tên trong Hình 2.12 Nguyên nhân và tác động của vòng lặp thứ cấp như vậy có thể được minh họa bằng mô hình đơn giản hóa sau đây [9] Tại đầu ra của bánh công tác, giá trị trung bình của vận tốc thành phần Cui của chất lỏng chịu tác dụng của các cánh bơm được tính bằng: (2.3)

Trong đó:

22

Có thể xảy ra trường hợp trong một phần nhất định của khoảng cách giữa lớp vỏ và vỏ bọc, giá trị của Cuf (tại bán kính R2) sẽ lớn hơn Cui (Hình 2.16) Điều này sẽ gây ra dòng chảy từ vùng này hướng về đầu ra của cánh quạt

Tốc độ V mà chất lỏng chảy ra từ bề mặt tròn của chiều rộng dZ hướng về cánh quạt được xác định bởi:

Trong đó ρ là mật độ của chất lỏng được bơm

Trong Phương trình (2.6), M là một hệ số tính toán cho các tổn thất khác nhau cũng như thực tế rằng một phần lưu lượng dQr có thể chảy trực tiếp vào vỏ đứng yên, mà không tương tác với chất lỏng được bơm Tổng lượng năng lượng được thêm vào chất lỏng được bơm bởi một lớp vỏ được xác định bởi:

(2.7)

Do đó, áp suất chất lỏng H mà có được từ sự tương tác giữa chất lỏng bị ảnh hưởng bởi cả hai lớp của cánh bơm và chất lỏng tiếp xúc với nó là bằng nhau

(2.8)

23

Hình 2.11 Phân bố của Cuf ở bán kính ngoài R2, trong không gian giữa cánh và vỏ [6]

Hình 2.12 Ảnh hưởng của Cui đối với công suất khôi phục từ ma sát đĩa [6]

2.4.3 Sự tái tuần hoàn trong bơm

Trong nhiều năm, hiện tượng tái tuần hoàn được xem như một yếu tố bí ẩn đứng sau mọi vấn đề không thể giải thích được Do đó, nó không có một định nghĩa chính xác và thích hợp để thảo luận phân tích Điều này đôi khi dẫn đến kết luận không chính xác hoặc gây hiểu lầm

24

Hình 2.13 Sự tuần hoàn tại đường thoát của bơm với dòng chảy rũ xuống [6] Thói quen đổ lỗi cho hiện tượng tái tuần hoàn cho bất kỳ vấn đề nào mà không tìm được giải thích dẫn đến niềm tin vào một liên kết trực tiếp giữa tái tuần hoàn và chiều cao cột áp Đã được chứng minh trong tài liệu [10] rằng cánh bơm được thiết kế cho hệ số cột áp cao có khả năng phát triển đường cong chữ U hơn là cánh bơm được thiết kế cho hệ số cột áp thấp Hiệu ứng này là kết quả trực tiếp của mất mát thủy lực không nhất thiết liên quan đến tái tuần hoàn Thật không may, nhiều người không quen thuộc với nghiên cứu được trình bày trong tài liệu [10] Đối với họ, nguyên nhân của đường cong chữ U đôi khi trở thành một điều bí ẩn thuận tiện nhất được đổ lỗi cho tái tuần hoàn Điều này đã dẫn đến sự lan truyền của các nghiên cứu (đôi khi rất tốn kém và tốn thời gian) nhằm thiết lập một mối quan hệ giữa chiều cao cột áp và tuần hoàn

25

Hình 2.14 Sự tuần hoàn đường thoát của bơm với dòng chảy hướng lên [6]

Hình 2.15 Đường cong hiệu suất với cánh bơm có lỗ [6]

Ngày nay, chúng ta biết rằng tái tuần hoàn chỉ có thể được liên kết gián tiếp với đường cong chữ U [11], [12], [13] Chúng ta cũng biết rằng mối liên quan này không có gì liên quan đến độ lớn chiều cao cột áp, mà là do thiết kế của cánh bơm

26

cánh bơm (so sánh với thảo luận liên quan đến Hình 2.13 và Hình 2.14) Trên thực tế, khi sử dụng đúng cách, tái tuần hoàn có thể biến đổi đường cong chữ U thành một đường cong tăng dần, như được chứng minh bằng kết quả thử nghiệm được trình bày trong và bài liên quan Điều này cũng đã được xác nhận bởi đường cong A trong Hình 2.15, cũng như bởi hàng trăm ứng dụng thực tế

Thực tế, nhờ vào tái tuần hoàn, ngành công nghiệp đã có thể sản xuất một lớp đầy đủ của bơm động lực (gọi là bơm tái tuần hoàn) có khả năng phát triển các hệ số cột áp vô cùng cao và đường cong QH rất dốc tăng dần lên Những đặc điểm này được đạt được bằng cách sử dụng hiệu ứng của tái tuần hoàn [14] Bơm tái tuần hoàn đã có mặt trên thị trường gần sáu thập kỷ và luôn thể hiện các đặc điểm được liệt kê ở trên

Hình 2.16 Tuần hoàn ở đầu vào của bơm ly tâm [6]

Hình 2.17 Ảnh hưởng tuần hoàn đến phân bố áp suất trong đường ống hút.[6]

27

Hình 2.18 Ảnh hưởng tuần hoàn đến phân bố áp suất trong đường ống hút

2.5 Mô hình toán học

2.5.1 Phương trình Navier-Stoke 2.5.1.1 Phương trình cơ bản

Phương trình Navier-Stokes, trong cơ học chất lỏng, một phương trình vi phân một phần mô tả dòng chảy của chất lỏng không thể nén được:

Dòng chảy liên tục:

(2.9) X-moment:

(2.10)