Báo cáo thực hành quá trình & thiết bị trong công nghệ hóa chất thực phẩm và môi trường bài 2 bơm ly tâm

- Xây dựng đặc tuyến mạng ống để xác định điểm làm việc của bơm - sử dụng định luật tỷ lệ để tiên đoán các thông số đặc trưng của bơm; tính toángiá trị mong muốn cho một tốc độ bơm thứ h

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

  

BÁO CÁO THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HÓA CHẤT THỰC PHẨM VÀ MÔI TRƯỜNG

GVHD: Trần Thảo Quỳnh Ngân

Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Lâm MSSV:21036811

Lớp học phần: DHHO17A Nhóm: 1

Năm học: 2024-2025

Thành phố Hồ Chí Minh, Ngày 20 Tháng 09 năm 2024

I Mục đích thí nghiệm

- Xác định cột áp toàn phần, công suất và hiệu suất của bơm ly tâm bằng cách

đo đạc các thông số khi thay đổi lưu lượng bơm

- Xây dựng đặc tuyến mạng ống để xác định điểm làm việc của bơm

- sử dụng định luật tỷ lệ để tiên đoán các thông số đặc trưng của bơm; tính toángiá trị mong muốn cho một tốc độ bơm thứ hai theo số liệu đo được tương ứngvới tốc độ bơm đã khảo sát, sau đó so sánh với kết quả thí nghiệm

II Cơ sở lý thuyết

1 Các thông số đặc trưng của bơm

Các thông số đặc trưng hoạt động của bơm ly tâm được mô tả hoặc minh họabằng sử dụng các đồ thị đặc tuyến bơm Ba đường biểu diễn đặc tuyến của bơmđược sử dụng nhiều nhất là:

- Sự thay đổi cột áp toàn phần tạo ra do bơm với lưu lượng

- Công suất cấp cho bơm với lưu lượng

- Hiệu suất của bơm với lưu lượng

Pin: áp suất chất lỏng đầu vào, Pa

 Chênh lệch chiều cao hình học:

He = zout – zin (m)Trong đó: zin: chiều cao hình học tại đầu vào, m

zout: chiều cao hình học tại đầu ra, m

Công suất cung cấp

Pm = 2 πnt60 (W)

Trong đó: n: là tốc độ vòng quay của bơm, vòng/phút

t: là moment xoắn của trục, N.m

Hiệu suất bơm

2 Đường đặc tuyến của bơm

Đường đặc tuyến ở một tốc độ không đổi

Mỗi thông số trong các thông số đặc trưng của bơm được đo ở một tốc độ bơmkhông đổi và được biểu diễn so với lưu lượng thể tích, Q, chuyển động quabơm Một ví dụ của loại này được mô tả trên đồ thị hình 3.2:

lưu lượng tăng Loại đường này được gọi là đường đặc trưng tăng Một đườngđặc trưng cột áp - lưu lượng ổn định là một đường mà chỉ có một lưu lượngtương ứng với một cột áp, như ví dụ ở đây

thay đổi lưu lượng qua bơm Ngoài vùng hoạt động tối ưu của bơm đường nàytrở nên phẳng, do đó một sự thay đổi lớn công suất chỉ tạo ra một sự thay đổinhỏ vận tốc dòng

- Đường E-Q biểu diễn lưu lượng bơm tại vị trí bơm hoạt động hiệu quả nhất

1,2m Khi lựa chọn bơm cho một ứng dụng mà nơi đó lưu lượng hoạt động cơbản đã biết, một bơm nên được lựa chọn mà hiệu suất tối ưu tại hoặc gần lưulượng này

Hình 3.2: Đặc tuyến của bơm ở một tốc độ không đổi

Đường đặc tuyến tổng hợp

Hình 3.3: Đặc tuyến tổng hợp của bơm ly tâm

Một cách biểu diễn các thông số đặc trưng của bơm là xây dựng các đường baocủa công suất hoặc hiệu suất không đổi trên một đồ thị của cột áp bơm với lưulượng bơm (hình 3.3) Những đường này cho phép các kỹ sư hiểu hiệu suất tối

đa của một bơm trên một dãy các thông số hoạt động, mà có thể hỗ trợ trongviệc lựa chọn một bơm thích hợp đối với các điều kiện đã cho Một ví dụ nhưsau:

Các nhà sản xuất bơm cung cấp thông tin cơ bản về hoạt động bơm của họ theocác dạng này của đồ thị Thêm vào đó để sử dụng các dạng đồ thị này choviệclựa chọn bơm ban đầu, các đồ thị có thể được sử dụng để so sánh hoạt

động thực tế của bơm với cái mong muốn Nếu hoạt động của bơm lệch đáng

kể thì hệ thống phải được nghiên cứu đối với các vấn đề và thiếu sót thiết kế,còn nếu bơm hoạt động ban đầu như mong đợi nhưng sau đó cho thấy sự thayđổi hoạt động thì bơm nên được nghiên cứu các khuyết điểm

3 Định luật tỉ lệ

Khi lựa chọn bơm cho một hệ thống, hiếm khi tiến hànhthí nghiệm để kiểm tra các đặc trưng của mỗi loại bơm trong cácbơm do nhà sản xuất cung cấp ở tất cả các tốc độ mà nó đượcthiết kế Do đó, người ta đưa ra một giải pháp toán hoạ mà chophép các giả định có thể được đưa cho các đặc trưng hoạt độngcủa bơm vận hành ở một tốc độ, kích thước bánh guồng, từcác kết quả thực nghiệm với nhau

Nhiều đường cong thu được từ việc vẽ các thông số đặc trưng của bom đo đượctrên các trục tọa độ có thể rút gọn thành một đường đơn nếu các nhóm vô thứnguyên xấp xỉ được sử dụng Như đã biết thì các ảnh hưởng của độ nhớt chấtlỏng lên đặc tính của bơm là nhỏ, và hiện tượng xâm thực không xuất hiện, đặctính của một loại bơm nhất định được biểu diễn như sau:

Hình 3.4: Đặc trưng cột áp - lưu lượng vô thứ nguyên của một bơm li tâm xác

định hoạt động ở các tốc độ khác nhau

Phương trình vô thứ nguyên được đưa ra trước đây là dạng cơ bản mà định luật

tỷ lệ được rút ra Định luật tỷ lệ cho phép đặc trưng của các bon cùng thông sốhình học của các loại hay tốc độ khác nhau để tiên đoán đủ chính xác đối vớicác mục đích thực nghiệm

Các định luật này thường được sử dụng để tính sự thay đổi lưu lượng, cột áp vàcông suất của một bơm khi loại, tốc độ quay hoặc khối lượng riêng của lưu chấtthay đổi Biểu thức sau được rút ra từ các yêu cầu trên, và cho phép tính cột áptổng, công suất ở một tốc độ n1 được thay đổi đến một tốc độ khác n2:

Một cách tổng quát hơn, mối quan hệ giữa 2 máy cùng kích thước hình học với

các đường kính đặc trưng D 1 và D 2 đang hoạt động ở tốc độ vòng n 1 và n 2 được

mô tả như hình sau:

Hình 3.5: Mối quan hệ giữa các thông số đặc trưng đối với các máy cùng kích

thước hình học hoạt động ở các tốc độ khác nhau

4 Ảnh hưởng của cột áp đầu vào (hiện tượng xâm thực)

Trong cả thiết kế và hoạt động của máy động lực, lưu ýcẩn thận phải dành cho các điều kiện lưu chất trong ống hút.Trong trường hợp riêng, thật là quan trọng để kiểm tra áp suấtthấp nhất mà có thể xảy ra ở bất kì điểm nào để chắc chắn rằnghiện tượng xâm thực mà không xảy ra

Hiện tượng xâm thực (cavitation)

Nếu áp suất tại bất kỳ điểm nào mà thấp hơn áp suất bayhơi của chất lỏng ở nhiệt độ tại điểm đó, sự hoá hơi sẽ xuất hiện.Điều này thường xảy ra nhất trong ống hút nơi mà áp suất thấpnhất được nghiên cứu Chất lỏng được hóa hơi xuất hiện cácbong bóng với chất lỏng, và điều này sau đó bị phá vỡ với luật

mà gây hại cơ học mà có thể chịu được Điều kiện này, đượcbiết đến là hiện tượng xâm thực, được kèm theo bởi một sự tăngtiến ồn đặc trưng và sự rung động làm cho giảm cột áp

Thêm vào đó, tiềm ẩn đối với nguy hại vật lý đối với bơm từ hiện tượng xâmthực, cả từ kết quả rung động và từ nổ của sự vỡ bong bóng hơi, các bơmkhông thể bơm hơi một cách hiệu quả Do đó, nếu hiện tượng xâm thực xảy rathì bơm có thể không đủ khả năng để tạo cột áp hút cần thiết để đạt được điểmhoạt động cần thiết

Chiều cao hút thực cần thiết (Net Positive Suction Head

Required_NPSHR)

Các nhà sản xuất thông thường cung cấp một chiều cao hútthực (NPHS) dựa vào kết quả kiểm tra Việc kiểm tra thường đểxác định NPSH sẽ liên quan đến việc vận hành bơm để bơmnước ở các lưu lượng khác nhau, trong khi việc điều tiết (giảmlưu lượng) trong ống hút Áp suất hút tại điểm đầu tiên sự hóahơi được ghi chú đối với mỗi lưu lượng Những điểm này sau đóđược chuyển thành các giá trị cột áp và được biểu diễn trênđường đặc tuyến của bom như chiều cao hút thực cần thiết (NetPositive Suction Head Required_NPSHR) hay chi là NPSH.NPSH là đại lượng cho áp suất hút tại điểm bắt đầu xuất hiệnhiện tượng xâm thực (nước bốc hơi)

Giá trị NPSHa (Net Positive Suction Head Available) phụ thuộc vào hệ thống

cụ thể của bơm sử dụng và được tính toán theo điều kiện hệ thống Đối với hệthống bơm đơn giản dùng để bơm nước, nó được tính như sau:

NPSHa=H atmos −(H vapour ± H¿+H v)

là áp suất tương đối so với áp suất khí quyển nên một số trường hợp có thể âm),

Hv: cột áp động trên ống hút, mmH2O

5 Đặc trưng của hệ thống (điểm làm việc)

Tổng quát

Phân tích hệ thống đối với việc lắp đặt bơm được sử dụng

để lựa chọn các điều kiện hoạt động ổn định của bơm và để xácđịnh các điểm làm việc của chúng Phân tích các hệ thống liênquan đến việc xây dựng đường cong cột áp - lưu lượng cho hệthống (van, ống, các nối ống, ) Và việc sử dụng đường congnày cùng với các đường đặc tuyến của bom sẵn có để lựa chọnbơm (các bơm) thích hợp nhất để sử dụng với hệ thống

Đường cong hệ thống là một đường biểu diễn lưu lượng trong hệ thống với cột

áp của hệ thống Nó cho biết mối quan hệ giữa lưu lượng và tổn thất thủy lựctrong hệ thống Các tổn thất thì phụ thuộc vào thiết kế hệ thống (chẳng hạn như

các co, các nối ống, độ nhám bề mặt) và các điều kiện hoạt động (chẳng hạnnhiệt độ).

Giả định rằng:

- Tốc độ dòng là tỉ lệ với lưu lượng thể tích

- Các tổn thất trong hệ thống là tỉ lệ bậc 2 với tốc độ dòng

Từ đó, độ giảm áp hệ thống phải tỉ lệ bậc 2 với lưu lượng thể tích, và đường cột

áp hệ thống - lưu lượng là đường dạng parabol

là đủ cho nhiều mục đích thí nghiệm Độ chính xác có thể tănglên bằng cách thêm vào một phương trình bậc hai cho tính toáncác trở lực cục bộ do các nối ống Công thức tính toán như sau:Tổn thất tổng trong hệ thống:

k = 0,5: hệ số trợ lực cục bộ đầu vào của ống (từ bồn chứa tới ống)

k = 1: hệ số trở lực cục bộ đầu qua của ống (từ ống tới bồn chứa)

cột áp, lưu lượng, hiệu suất và công suất trên một khoảng rộng các điều kiệnhoạt động có thể, nhưng chúng không chỉ ra điểm nào trên đường cong bơm sẽhoạt động Điểm hoạt động (hoặc điểm làm việc) được xác định bằng cách vẽhai đường cột áp - lưu lượng với đường cột áp - lưu lượng hệ thống Điểm giaocủa hai đường này là điểm làm việc của bơm hệ thống, như hình sau:

Hình 3.6: Phác thảo xác định điểm làm việc của bơm

Nó cho thấy rằng điều kiện làm việc tối ưu đạt được nếu điểm làm việc nàytrùng với điểm hiệu suất tối đa trong đường đặt tín hiệu suất - lưu lượng củabơm

III Mô hình thí nghiệm

6 Sơ đồ hệ thống

Hình 3.7: Sơ đồ hệ thống bơm ly tâm

6 Van hút

7 Trang thiết bị, hóa chất

Phần mềm FM50 được trang bị để điều khiển bơm và ghinhận kết quả thí nghiệm với giao diện được mô tả như sau:

Hình 3.8: Giao diện phần mềm FM50

- Xem mô hình, chọn biểu tượng:

- Xem bảng kết quả, chọn biểu tượng:

- Chuyển bơm sang trạng thái hoạt động thì click chuột vào nút # thì số 0 sẽchuyển sang số 1

- Thay đổi tốc độ bom bằng cách thay đổi Pumb setting (0-100)

- Các thông số đo được gồm: Moment xoắn (motor Torque), tốc độ bơm(speed), nhiệt độ (temperature), lưu lượng (Flow rate), áp suất hút (Inletpressure), áp suất đẩy (Outlet pressure)

Mỗi thông số trong các thông số đặc trưng của bơm được đo ở một tốc độ

IV Tiến hành thí nghiệm

Thí nghiệm 1: Xác định các thông số đặc trưng của bơm

Đóng van đẩy hoàn toàn

Đuổi khíBơm chạy tuần hoàn

70%

Cài đặt tốc độ

Bật công tắt bơm FM50

Thí nghiệm 2 : Xây dựng các đường đặc tuyến tổng hợp

Khử bọt khí

Tạo sheet mớiTăng độ mở van

Mở van đẩy từ từ

Ghi lại giá trị đo

Cho bơm chạy tuần hoànCài đặt tốc độ bơm

Đóng van đẩy tuần

hoàn

Thí nghiệm 3 Định luật tỉ lệ

Thí nghiệm 4 : Ảnh hưởng của cột áp hút( hiện tượng xâm thực)

Thí nghiệm 5 : Xây dựng đường đặc tuyến hệ thống và xác định điểm làm việc

V Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu

Thí nghiệm 1: Xác định các thông số đặc trưng của bơm

Bảng số liệu thí nghiệm 1 với chế độ bơm là 70%

STT Lưu lượngQ (L/s)

Tốc độbơm n(rpm)

Áp suấthút Pin(kPa)

Áp suấtđẩy Pout(kPa)

Mô men xoắnđộng cơ t(N.m)

Nhiệtđộ

 Đổi đơn vị lưu lượng: Q = 0.81 (l/s) = 0.81/1000 = 8.1×10-4 (m3/s)

 Công suất thủy lực: P ℎ=ρg g Q H t = 993×9.81× (8.1×10-4)× 2.65

≈ 20.9W

E= P ℎ

P m ×1 00 %=

20.9147.5×100 % ≈ 14.2 %

Các thông số khác làm tương tự như trên, ta có được bảng kết quả sau:

Bảng xử lí số liệu thí nghiệm 2 với chế độ bơm là 70%

Đặc tuyến tổng hợp của bơm với chế độ 70%

Bàn luận: ở tốc độ 1050 rpm, cột áp toàn phần ban đầu giảm và tăng nhẹ so

với lưu lượng tăng nhanh, công suất bơm tăng đều đặn hơn khi lưu lượng tăng với dao động nhẹ quanh mức 0.92 L/s Hiệu suất biểu diễn các đỉnh và đáy cho thấy hiệu suất thay đổi theo lưu lượng Ở chế độ này lưu lượng không ổn định

Thí nghiệm 2: Xây dựng các đường đặc tuyến tổng hợp

Bảng số liệu thí nghiệm 2 với chế độ bơm là 50%

STT Lưu lượngQ (L/s)

Tốc độbơm n(rpm)

Áp suấthút Pin(kPa)

Áp suấtđẩy Pout(kPa)

Mô men xoắnđộng cơ t(N.m)

Nhiệtđộ

 Công suất cung cấp: P m = 2 π ×n ×t60 = 2 π ×750 ×1.1360 ≈ 88.8 W

 Đổi đơn vị lưu lượng: Q = 0.29 (l/s) = 0.29/1000 = 2.9×10-4 (m3/s)

 Công suất thủy lực: P ℎ=ρg g Q H t = 993×9.81× (2.9×10-4)× 1.41

Các thông số khác làm tương tự như trên, ta có được bảng kết quả sau:

Bảng 2.15: Bảng xử lí số liệu thí nghiệm 2 với chế độ bơm là 50%

2.59

9

Đặc tuyến tổng hợp của bơm với chế độ 50%

Bàn luận: ở tốc độ 750 rpm, cột áp toàn phần giảm dần ứng lưu lượng tăng

dần, công suất cung cấp và hiệu suất bơm tăng không ổn định bắt đầu là tăng

nhanh sau đó biểu hiện sự giao động rồi giảm xuống Khi van đẩy càng mở, thì

lưu lượng càng tăng ứng với công suất cung cấp phải tăng theo để đáp ứng

Bảng số liệu thí nghiệm 2 với chế độ bơm là 60%

STT Lưu lượngQ (L/s)

Tốc độbơm n(rpm)

Áp suấthút Pin(kPa)

Áp suấtđẩy Pout(kPa)

Mô men xoắnđộng cơ t(N.m)

Nhiệtđộ

 Công suất cung cấp: P m = 2 π ×n ×t60 = 2 π ×750 ×1.1360 ≈ 111W

 Đổi đơn vị lưu lượng: Q = 0.28 (l/s) = 0.28/1000 = 2.8×10-4 (m3/s)

 Công suất thủy lực: P ℎ=ρg g Q H t = 992×9.81× (2.8×10-4)× 2.24

Các thông số khác làm tương tự như trên, ta có được bảng kết quả sau:

Bảng xử lí số liệu thí nghiệm 2 với chế độ bơm là 60%

0.000

3.03

9

Đặc tuyến tổng hợp của bơm với chế độ 60%

Bàn luận: ở tốc độ 900 rpm, cột áp toàn phần giảm nhanh so với lưu lượng tăng,

công suất cung cấp tăng theo lưu lượng và hiệu suất tăng dần đến đỉnh điểm

sau đó giảm xuống theo một lưu lượng nhất định Khi lưu lượng tăng – cột áp

toàn phần giảm hệ thống mất độ cao hoặc áp suất khi có nhiều nước chảy qua

hơn Hiệu suất đạt đỉnh ở một lưu lượng nhất định cho ta biết có một phạm vi

tối ưu để đạt hiệu suất tối đa

Bảng số liệu thí nghiệm 2 với chế độ bơm là 80%

STT Lưu lượngQ (L/s) Tốc độbơm n

(rpm)

Áp suấthút Pin(kPa)

Áp suấtđẩy Pout(kPa)

Mô men xoắnđộng cơ t(N.m)

Nhiệtđộ

 Công suất cung cấp: P m = 2πnt/ 60 = 2π × 1200 × 1.31 /60≈164.6 W

 Đổi đơn vị lưu lượng: Q = 0.29 (l/s) = 0.29/1000 = 2.9×10-4 (m3/s)

 Công suất thủy lực: P ℎ=ρg g Q H t = 993×9.81× (2.9.10-4)× 4.324

Các thông số khác làm tương tự như trên, ta có được bảng kết quả sau:

Bảng xử lí số liệu thí nghiệm 2 với chế độ bơm là 80%

3.19

8

Đặc tuyến tổng hợp của bơm

Bàn luận: ở tốc độ 1200 rpm, cột áp toàn phần ban đầu giảm ít và ổn định so

với lưu lượng tăng nhanh, công suất cung cấp và hiệu suất bơm tăng nhanh ứng

với lưu lượng Khi van đẩy càng mở, thì lưu lượng càng tăng ứng với công suất

cung cấp phải tăng theo để đáp ứng

Bảng số liệu thí nghiệm 2 với chế độ bơm là 90%

STT Lưu lượngQ (L/s) Tốc độbơm n

(rpm)

Áp suấthút Pin(kPa)

Áp suấtđẩy Pout(kPa)

Mô men xoắnđộng cơ t(N.m)

Nhiệtđộ

 Công suất cung cấp: P m = 2πnt/ 60 = 2π × 1350 × 1.4 /60¿197.9 W

 Đổi đơn vị lưu lượng: Q = 0.25 (l/s) = 0.25/1000 = 2.5×10-4 (m3/s)

 Công suất thủy lực: P ℎ=ρg g Q H t = 993×9.81× (2.5×10-4)× 5.75

Các thông số khác làm tương tự như trên, ta có được bảng kết quả sau:

Bảng 2.15: Bảng xử lí số liệu thí nghiệm 2 với chế độ bơm là 90%

3.37

3 39

10

2.541

4.58

Đặc tuyến tổng hợp của bơm

Bàn luận: ở tốc độ 1350 rpm, cột áp toàn phần giảm dần ứng lưu lượng tăng

dần, công suất cung cấp và hiệu suất bơm tăng ổn định ứng với sự tăng dần khá

nhanh của lưu lượng Khi van đẩy càng mở, thì lưu lượng càng tăng ứng với

công suất cung cấp phải tăng theo để đáp ứng

Bảng số liệu thí nghiệm 2 với chế độ bơm là 100%

STT Lưu lượngQ (L/s)

Tốc độbơm n(rpm)

Áp suấthút Pin(kPa)

Áp suấtđẩy Pout(kPa)

Mô men xoắnđộng cơ t(N.m)

Nhiệtđộ