Phúc trình thí nghiệm quá trình & thiết bị bài khuấy chất lỏng

- Vé gian dé thể hiện quan hệ giữa Re & Np gọi là giản đồ chuẩn số công suất khi đã bỏ qua ảnh hưởng của chuẩn số Froude cho 2 hệ thống đồng dạng là bình dầu & bình nhớt.. Xác định công

Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh

Trường Đại học Bách Khoa

Khoa Kỹ thuật Hóa học

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ

Phúc trình Thí nghiệm

Quá trình & Thiết bị

Bài:

KHUAY CHAT LONG

GVHD: Thầy Trần Lê Hải Sinh viên: Nguyễn Hữu Thọ MSSV: 1713340

Nhom: 10.7 Lớp: HC17VS

Ngày TN: 01/10/2019

Nam hoc 2019 — 2020

VD Mee Gabe ccc ee een eee ec 2 n1 1n n1 11t 1t 1x1 xxx ải 3

1.3 Kết quả thí nghiệm 5S SE H1 T121 21221121 1121211 111g ru 3

"um"‹Uđaadadaaaddầdadaiiaaiiaadaidaaảảả 5 2.2 Xác định công suất khuấy P - s ST T211 812122121112 ve 5 2.3 Giản đồ công suất và các chuẩn số đặc trưng - 5s TH n1 1 121 re 6

2.4 Nguyên tác khuếch đại đồng dạng 5 ST TH 1221222211 7 2.5 _ Tiên đoán công suất cho hệ thống thực 55 SH 211221 22221218 rde 8

3.1 Thiết bị thí nghiệm 52 SE H021 21 21212122 1011 g re 8

3.3 Nội dung thí nghiệm - Lọ SH n1 01011111111 1111111 ty 9

4.1 Ket qua timlh toda ccc ccccccccccccccssesssessssessessssessresssessresssvetseseressressseetintiisaseseesecteetes 9 4.2 Đồ thị ch nh nh HH nh HH n1 tt g1 11g ga II 4,3 Tính toán bồn đồng dạng hình học với bình thí nghiệm 22- 22222 s2xze 13

- Đo lực ma sát F bằng cách đọc chỉ số trên lực kế sau mỗi giá trị vận tốc khuấy N

- _ Tính công suất cánh khuấy

- Tinh chuan sé Reynold

- Tinh chuan sé céng suat

- Vé gian dé thể hiện quan hệ giữa Re & Np gọi là giản đồ chuẩn số công suất (khi đã bỏ qua ảnh hưởng của chuẩn số Froude) cho 2 hệ thống đồng dạng là bình dầu & bình nhớt L3 Kết quả thí nghiệm

Bảng 1: SỐ liệu thô của thí nghiệm

Xác định công suất khuấy P

Công suất khuấy P phụ thuộc nhiều yếu tố:

* Vận tốc cánh khuấy N, vs

Đặc tính của chất lỏng: độ nhớt ụ, khối lượng riêng p

Độ cao của chất lỏng trong bình chứa H, m

I3 Giản đồ công suật và các chuân số đặc trưng

- Trên thực tế, người ta chỉ đo được ảnh hưởng của chuẩn số Reynolds và Froude trên chuẩn số công suất sau khi đã xác định các thừa số hình dạng

4a Chuẩn sô công suất:

- Taco the viet:

Chuẩn số Reynolds cảnh khuấy:

Suy thắng từ định nghĩa chuẩn số Re của dòng chảy khi thay vận tốc v bằng số vòng quay

sâu cánh khuấy tính từ mặt thoáng chất lỏng và khi đó khí sẽ lọt vào chất lỏng làm giám

đáng kể hiệu suất khuấy Sự tạo phéu còn gây sự đảo, lắc trục khuấy nếu trục khuấy

không được lắp đặt chính tâm Vận tốc khuấy càng cao thì khả năng tạo xoáy phéu cang lớn, để khắc phục hiện tượng này, người ta bố trí những tắm chặn để ngăn cán sự tạo phéu, khi này hiệu suất khuấy tăng lên nhưng công suất cánh khuấy cũng tăng lên do sức cán khuấy tăng

(Re <300) thì chuẩn số Fr chưa đáng kế (gần bằng số không) và công suất khuấy trong trường hơp có tấm chắn và không có tâm chắn là như nhau, xoáy

lốc chưa xuất hiện,

HH Z

> 1 Đối với chong chóng 3 cánh bước 2có đ vad th 2=L7vạ 2 =18,0, Một cách tông quát, ta có :

Np, =f Re, Fr) =Cy Re* Fr (9) Trong đó : Cy, at, a2, la cdc hang sé phy thuéc ché dé khuay

- Néuluu chat khuay cé ché dé chay :

©« Chảytẳng: “1= ớ; =Ở thi nạy = Gy Re”,

© — Chảy rối có tấm cản ; “1 =Ú, Œ =Ũ Dị này đó FOr,

a a log(Re)

e Chay rối không có tắm cán :“! =0 5 ; b , trở lại trường hợp trên

I4 Nguyên tắc khuếch đại đồng dạng

- Hai hệ thống được gọi là đồng dạng hoàn toàn khi chúng thoả mãn đồng thời:

- _ Trong thực tế, nhiều khi rất khó thực hiện mô hình đồng dạng hoàn toàn, nếu hai hệ thống lớn nhỏ gần đống dạng nhưng có vài đị biệt thì ta có thể dùng hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm

-_ Tuy nhiên bằng thực nghiệm người ta nhận thấy : ^” =Œ®)_ Cá 3 phương pháp xác

định chuẩn số công suất Np

® Xác định Np theo phương pháp giải tích :

¢ Xác định Np theo phương trình chuẩn số : Np =C Re , các giá trị C & m được xác định qua các bảng tra

e— Xác định ? theo đỗ thị (dùng giản đồ công suất)

ILS Tiên đoán công suất cho hệ thống thực

- - Khi cần thiết kế một hệ thống khuấy trọn trong công nghiệp, người ta tạo một mô hình

mẫu nhỏ rồi xây dựng giản đồ chuẩn số công suất cho mô hình này Mô hình mẫu phái đồng dạng với mô hình thực tế Vì sự đồng dạng này mà mô hình lớn có thể dùng chung giản đồ của mô hình mẫu Từ đó ta có thé tiên đoán công suất thực cân thiết

I THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

HLI Thiết bị thí nghiệm

- 1 van téc kế có 3 thang đo ( 0- 300; 0- 600; 0 — 1200 v/ph)

HI.2 Phương pháp thí nghiệm

N : số vòng quay của cánh khuấy

b Van toc khudy N:

- Doc trén van téc kế (vòng/phút)

TIL3 Nội dung thí nghiệm

(1) Chọn lưu chat dau hay là nhớt để tiến hành TN

(2) Chọn cánh khuấy turbine (C¡› hay C::) hay cánh khuấy chân vịt C›› lắp vào trục khuấy

Với nhớt dung ca 3 cánh khuây, dau chi dung Cr

(3) Đối với nhớt điều chỉnh tốc độ khuấy là 200, 400, 600, 800, 1000 vòng/phút Còn đối với dau thì chọn tốc độ khuấy là 50, 400, 700, 900, 1100 vòng/phút.

Chú ý khi tiến hành TN :

Không nên chạy máy quá 1100 vòng/phút máy sẽ rung, nguy hiểm

Khi đọc vận tốc luôn thử để vận tốc kế ở thang 0 — 1200prm trước Nếu thấy chưa

đủ chính xác thì mới giảm xuống thang đo nhỏ hơn Tránh để kim chỉ nhảy quá mức tối

đa của thang đo

Mỗi khi bật tắt động cơ hay thay đổi vận tốc khuấy, phái dùng tay giữ động cơ cho lực ban đầu không làm động cơ xoay mạnh sẽ gây va chạm và làm hư máy

Khi tháo lắp cảnh khuấy , trục không để rơi xuống làm vỡ bình

Trước khi dùng lực kế phải chỉnh về 0 khi động cơ quay

Khi quay hộp số để điều chế vận tốc, phải tháo rời lò xo khỏi động cơ

IV KÉTQUÁ THÍ NGHIỆM

Iv.1 Kết quả tính toán

Nhớt - không thanh chặn N(v/phut) | N(w/s) | Fdbf) | FON) | PCW) Re Np Ghi chu

Bảng 3: Tỉnh toán số liệu với lưu chất là nhớt và cánh khuấy Crs

Nhot - khong thanh chan N(v/phut) | N(v/s) | Fdbf) | FCN) | PCW) Re Np | Ghichú

Bảng 4: Tỉnh toán số liệu với lưu chất la nhớt và cánh khuấy Cor

Dau - không thanh chặn

N(v/phut) | N(v/s) | Fdbf) | FCN) | PCW) Re Np Ghi chu

Hình 2: Giản đồ Np Re cho lưu chất là nhớt với cảnh khuấy T5

Giản đồ NP - Re cho trường hợp nhót - CP2

NP

Hình 3: Giản đồ Np Re cho lưu chất là nhót voi canh khudy Cn

Giản đồ NP - Re cho trường hợp dầu - CT2

Hình 4: Giản đồ A,-Re cho lưu chất là dẫu với cánh khuấy Cr

IV.3 Tính toán bồn đồng dạng hình học với bình thí nghiệm

Giả sử ta xây dựng một bồn chứa nhớt thể tích 50mỶ Bồn đồng dạng hình học với bình thí nghiệm khuấy nhớt trong bài này (cánh khuấy Ca, không tắm chặn)

- Trong quá trình thí nghiệm, tiền hành đo các kích thước của bình chứa, ta được các kết quả như sau:

H=0,27(m): chiều cao cột nhớt trong bình

D=0,248(m): đường kính trong của bình,

- Dé thiết kế được bồn nhớt 50m? đồng dạng với bình khuấy trong bài thí nghiệm thì phải thỏa mãn điều kiện sau:

với: H: chiều cao cột nhớt trong bồn nhớt 50mỶ, m

D’: đường kính trong của bồn nhớt 50mỶ, m

- Thể tích của bền nhớt được tính theo công thức:

V=H

- Từ các điều kiện trên, ta suy ra được kích thước tương ứng của bên nhớt 50m? phải thiết

kế là:

+ Bồn nhớt có đường kính trong: D' = 3,882 (m)

+ Chiều cao của cột nhớt trong bồn: H = 4,226 (m)

+ Do đó, chiều cao của bồn nhớt: Hy 5 (m)

- Với các kích thước trên, ta đã thiết kế được bồn nhớt co thé tich 50m? déng dang voi bình khuấy nhớt trong bài thí nghiệm

- Chọn cánh khuấy C+: ở chế độ không tắm chặn trong quá trình thí nghiệm để làm chuẩn cho việc chọn loại cánh khuấy và kích thước cánh khuấy trong quá trình khuấy nhớt trong bổn 50m°

- Ta cũng chọn cánh khuấy loại turbin và độ nhúng sâu của cánh khuấy vào bổn nhớt cho

bổn 50m? theo tiêu chuẩn sau:

với: d.d: lần lượt là đường kính cánh khuấy trong bài thí nghiệm và trong bồn nhớt 50m’

Z,Z’: lan lot là chiều cao tính từ đáy bình đến cánh khuấy trong bài thí nghiệm và trong bồn 50mỶ,

- Từ điều kiện trên ta chọn được đường kính cánh khuấy d’=1,193(m) Nhu vậy, quá trình

khuấy nhớt trong bôn thẻ tích 50m là đồng dạng với quá trình trong bài thí nghiệm ta đã tiền hành

- Quá trình khuấy nhớt trong bên chứa 50m, ta chọn 5 gia tri van tốc khuấy như sau:

Bảng 6: Kết quả tính cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy turbin đồng dạng với cánh

khuấy Ơn

- Vì hai quá trình khuấy là đồng dạng với nhau nên ta có thể dựa trên gián đồ công suất khuấy đã thiết lập được trong quá trình thí nghiệm đẻ tiên đoán công suất khuấy của bồn nhớt 50m) với các vận tốc đã chọn

- Đồ thị của công suất khuấy P theo Re trong ché độ khuấy không có tắm chặn, dùng cánh

khuấy Cr; được cho như sau:

Giản đồ P- Re cho trường hợp nhớt - CT2

Chê độ khuấy khuây (vòng) Re P(W)

Bảng 7: Kết quả tính công suất khuấy cho trường hợp khuấy nhót bằng cánh khuấy turbin

đồng dạng với cánh khuấy Ơn

- Lap tam chan sẽ làm tăng trở lực cản trở dòng chảy xoáy tròn của chất lỏng trong bổn khuấy Từ đó làm tăng lực ma sát của dòng chảy Trong trường hợp có tắm chặn nếu dùng một công suất bằng với trường hợp không lắp tắm chặn thì do trở lực dòng

chảy đó, vận tốc khuấy sẽ đạt gia tri thấp hon Vi vay, dé dam bao duoc van téc khuấy

cần thiết, ta phải cung cấp một công suất lớn hơn trường hợp không lắp tấm chặn

Ngoài ra, khi lap tam chặn sẽ ngăn cản được sự hình thành xoáy phêu, làm tăng hiệu suất khuấy, bên cạnh đó công suất khuấy cũng tăng do trở lực cản của tắm chặn lên sự

khuấy tăng

Tuy nhiên, ở các đề thị , khi vận tốc khuấy đạt đến một gia tri nao do thi chuẩn số

công suất ở hai trường hợp lại tiến về gần bằng nhau hoặc có trường hợp 2 giá trị

chuẩn số công suất tiễn về gần bằng nhau rồi đột ngột chênh lệch nhau khá lớn Có vẻ

như kết quá trên không giống so với hai giản đỗ trong sách hướng dẫn thí nghiệm Nguyên nhân có thê do thiết bị: khi quay lâu trong nhớt (dầu) do có độ nhớt cao nên khi hệ thống khuấy hoạt động lâu sẽ làm lỏng khớp nối cánh khuấy với trục khuấy Điều này làm cho việc đo lực khó khăn hơn, số liệu thu nhận được từ lực kế không còn tính chính xác nữa Ngoài ra, hệ thống gồm: động cơ, hộp số được đỡ trên ô bi,

khi hệ thống hoạt động không ngừng dao động 3 số đo lực kế đao động liên tục 3 khó xác định chính xác giá trị và sai số do không kế đến ma sát trong ô bi đỡ động cơ (chống lại ma sát giữa cánh khuấy và chất lỏng làm sai kết quả đo lực)

5.2 Sự tiêu thụ năng lượng của từng loại cánh khuấy

Với cùng một loại cánh khuấy và cùng điều kiện thí nghiệm về các thông số khác, đường kính cánh khuấy càng lớn thì năng lượng tiêu thụ càng lớn

Trong trường hợp đó, năng lượng tiêu thụ phụ thuộc vào tiét điện vuông góc với vận tốc dài của cánh khuấy Tiết diện càng lớn, lực cán của chất lỏng lên cánh khuấy càng lớn >năng lượng tiêu hao đề thang lực cán đó càng lớn

Lực cán này được biểu diễn bởi phương trình của Newton :

Trong đó

© P: Lye can (N)

o_ u: Hệ số nhớt động lực học (N.s/m?)

o A: Tiét diện vuông góc với vận tốc đòng chảy(m))

o_ dv/dy : Gradient van tốc lưu chất theo phương vuông góc dòng chảy

Trong thí nghiệm, ta thay

-V6i tat ca cac giá trị N=200, 400, 600, 800, 1000 vong/phut, canh khuay Cr tiêu thụ

năng lượng lớn hơn cánh khuấy Cr, thé hién & gia tri cong suat khuay Vì: cánh khuấy

Cr có đường kính 3 inch, canh khudy Cr có đường kính 2.5 inch-> diện tích bề mặt vuông góc vận tốc dài cánh khuấy của cánh khuấy C+› lớn hơn.Do đó giá trị ta thu

được là hoàn toàn hợp lí với lý thuyết

- Cánh khuấy Cø›, tuy có đường kính bằng với cánh khuấy C+›, nhưng cấu tạo của nó

có dạng chong chóng, phân tiết diện vuông góc với vận tốc dài của nó nhỏ hơn của cánh khuấy C+; vì thế nó tiêu thụ năng lượng thấp nhất Tuy nhiên có một số giá trị công suất khuấy của Cụ; lại nhỏ hơn giá trị công suất khuấy của C;, nguyên nhân là

do sai số khi thực hiện thí nghiệm Có một điểm cần lưu ý là do cầu tạo như chong

chóng, cánh khuấy Cn; sẽ làm tăng lực đây theo chiều trục, vì vậy nó sẽ tăng cường

khuấy trộn dọc

Ở thiết bị có tắm chặn: Với cánh khuấy chân vịt độ tiêu tốn năng lượng là ít nhất so

với hai lọai cánh khuấy turbine Trong cùng cánh khuấy turbine, thì CT2 tiêu tốn nhiều hơn CT3 Nguyên nhân là do hình dạng của hai lọai cánh khuấy Cánh khuấy turbine có cau tạo hình mái chèo làm tăng ma sát giữa chất lỏng và cánh khuấy, trong khi đó, chân vịt có cầu tạo bảng rộng nằm hơi nghiêng giúp chuyên động cánh khuấy

dễ dàng hơn giám ma sát trong quá trình khuấy Còn hai lọai cánh khuấy turbine thì CT2 có đường kính lớn hơn cánh khuấy CT3 nên tiết điện tiếp xúc với chất lỏng nhiều

hơn gây ra lực ma sát lớn hơn

Ở thiết bị thành trơn: Số liệu cho thấy CP2 tiêu tốn năng lượng nhiều hơn so với CT2

và CT3 Trường hợp CT2 tiêu tốn năng lượng nhiều hơn CT3 vẫn giống ở thiết bị có tắm chặn Ngọai trừ CP2, nguyên nhân có thé do sai số xảy ra trong quá trình thí nghiệm, dẫn đến kết quá không giống với lập luận của lí thyết

Oo cùng một loại cảnh khuấy thì sự tiêu tốn năng lượng ở thiết bị thành trơn nhiều hơn thiết bị có tắm chặn Nguyên nhân chủ yếu là do xóay phu làm không khí xâm nhập vào chất lỏng làm giảm hiệu quả của quá trình khuấy, đồng thời sinh thêm lực phụ (lực ly tâm, trọng lực) lên cánh khuấy làm tăng công suất khuấy

5.3 Tại sao lại chọn khoảng cách giữa các vận tốc trong trường hợp khuấy dầu lớn hơn khuấy nhớt:

Trong cuốn hướng dẫn thí nghiệm : với nhớt có thể chọn vận tốc 200, 400,600, 800 và

1000 vòng/phút; với dầu có thể chọn 50, 400, 700, 900, 1100 vòng/phút

Do độ nhớt của dầu nhỏ hơn nhiều so với nhớt, chỉ gần bằng phân nửa Vì vậy lực ma sát đo được khi khuấy dầu sẽ nhỏ hơn khi khuấy nhớt Nếu lấy khoáng vận tốc khuấy hai chất lỏng giống nhau thì khoảng cách giữa các lực đo được khi khuấy dầu sẽ nhỏ>khó phân biệt Vì vậy, khoảng cách vận tốc của thí nghiệm khuấy dầu phải lớn hon thí nghiệm khuấy nhớt để tăng khoảng cách các lực ma sát đo được-> để đọc giá

trị trên lực kế