Báo cáo thí nghiệm quá trình và thiết bị công nghệ mã môn học 602047 bài 2 khuấy chất lỏng

Do yêu cầu tính công suất khuấy dựa vào hiệu số công suất của trường hợp có và không có chất lỏng tương ứng với loại cánh khuấy cùng tốc độ nên phải tiến hành thí nghiệm ở trường hợp có

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ

MỤC LỤC

1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 2

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

2.1 Khái niệm cơ bản 2

2.2 Phân tích thứ nguyên 2

2.3 Giản đồ công suất 4

3 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 4

4 TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM 5

4.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 5

4.2 Trình tự thí nghiệm 6

5 SỐ LIỆU THÔ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 8

5.1 Số liệu thô 8

5.2 Xử lý số liệu 10

5.2.1 Đối với Dầu – Cánh khuấy C T2 10

5.2.2 Đối với Nhớt – Cánh khuấy C P2 12

5.2.3 Đối với Nhớt – Cánh khuấy C T3 13

5.2.4 Đối với Nhớt – Cánh khuấy C T2 14

6 BÀN LUẬN 15

6.1 Hoài Bảo 15

6.2 Phương Anh 17

6.3 Minh Kha 19

6.4 Thanh Kiều 20

6.5 Tiểu Ny 21

6.6 Trường Vy 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Khảo sát giản đồ chuẩn số công suất khuấy với nhiều loại cánh khuấy khác nhau: chân vịt CP2 , turbine nhỏ CT3, turbine lớn CT2

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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 vị trí khác nhau trong lòng chất lỏng

Quá trình khuấy cơ học được sử dụng nhằm mục đích:

Tạo ra các hệ đồng nhất từ các thể tích lỏng và lỏng, khí, rắn có tính chất thành phần khác nhau: dung dịch, nhũ tương, huyền phù, hệ bọt, …

Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt

Tăng cường quá trình trao đổi chất bao gồm quá trình chuyển khối và quá trình hóa học

Trong các hệ thống khuấy, một trong những vấn đề được đặt ra là tiên đoán công

suất tiêu tốn cho một hệ thống nhất định

Công suất khuấy P phụ thuộc vào:

Vận tốc cánh khuấy N, v/s

Đặc tính của chất lỏng: độ nhớt µ, khối lượng riêng ρ

Độ cao của chất lỏng trong bình chứa H, m

Hình 2.2.1 Một hệ thống khuất đồng dạng hình học

Phân tích thứ nguyên cho thấy:

Trong đó:

: chuẩn số công suất, có ý nghĩa của một thừa số ma sát

: chuẩn số Reynold của cánh khuấy, tỉ số giữa giữa lực ly tâm và lực ma sát Nó đặc trưng cho chế độ chảy của lưu chất trong bình khuấy

: chuẩn số Froude, tỉ số giữa lực ly tâm và lực trọng trường, đặc trưng cho sự hình thành xoáy phễu

Z D

d g

d N N d f d N

g

d N Fr

2

=

D

H D

Z D

d , ,

2.3 Giản đồ công suất

Công thức để xác định công suất khuấy trộn:

Trong đó NP phụ thuộc vào hai chuẩn số Re và Fr Việc xác định chuẩn số công suất NP bằng giải tích cho đến nay vẫn còn rất khó khăn Vì thế, người ta dùng thực nghiệm

để xây dựng quan hệ giữa ba chuẩn số nói trên Thông thường, người ta tìm cách cố định một trong hai thông số (giả sử là Re) ở một giá trị Re1 nào đó, làm thí nghiệm với các giá trị Fr1, Fr2, … để được các NP tương ứng Sau đó sẽ thay đổi Re đến các Re2, Re3, … và lặp lại quy trình Dễ thấy rằng ta sẽ có được một mặt phẳng trong hệ tọa độ Re – Fr – NP để mô

tả phương trình (3)

Từ giản đồ ba chiều người ta sẽ chuyển về hai chiều để có thể sử dụng Tuy nhiên, người ta nhận thấy rằng đối với đa số các hệ thống thực, Fr không phải là yếu tố ảnh hưởng quyết định lên NP Do đó ta có thể vẽ đồ thị thể hiện quan hệ giữa NP và Re và bỏ qua Fr

Đồ thị mô tả quan hệ đó gọi là giản đồ chuẩn số công suất khuấy

3 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

Thực hiện thí nghiệm khuấy không có chất lỏng

Thực hiện thí nghiệm với chất lỏng là dầu và nhớt



5

3d N N

NP

Hình 2.3.1 Re - Fr – N p

Nhớt: 03 cánh khuấy (chân vịt CP2 , turbine nhỏ CT3, turbine lớn CT2 )

Dầu: chỉ dùng cánh khuấy turbine lớn CT2

Với mỗi loại cánh khuấy phải đo 02 chế độ: có và không có tấm chặn

Vận tốc thay đổi từ 50 – 800 vòng/phút đối với từng trường hợp

Xây dựng giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho các trường hợp thí nghiệm

Xác định công suất khuấy, khi có tấm chặn và khi không có tấm chặn

Cách tính công suất khuấy

Pmixer = Pfull – Pempty

Trong đó:

Pfull : công suất tiêu thụ điện khi có chất lỏng

Pempty : công suất tiêu thụ điện khi không có chất lỏng

Pfull = Ufull.Ifull.k

Pempty = Uempty.Iempty.k

Ufull, Pempty : điện thế nguồn, V.U được đọc trên đồng hồ Volt của tủ điện

Ifull, Iempty : cường độ dòng điện tiêu thụ, A.I được đọc trên đồng hồ Ampe của tủ điện k: hệ số

TỦ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN

1 – Tủ điện điều khiển, 2 – Motor, 3 – Cánh khuấy (CP2, CT2, CT3)

Bước 1: Kiểm tra hệ thống

Kiểm tra hệ thống nguồn

Kiểm tra mức dầu và nhớt trong bình

Kiểm tra hoạt động của motor cánh khuấy

Hình 4.1.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm

Bước 2: Tiến hành thí nghiệm

Đẩy bồn chứa dầu hoặc nhớt vào vị trí Chú ý đảm bảo cho vị trí cánh khuấy ngay tâm bồn

Lắp loại cánh khuấy cần thiết làm thí nghiệm, lắp tấm chặn theo từng loại thí nghiệm

Bật CB lên

Xoay công tắc theo chiều kim đồng hồ, motor cánh khuấy quay

Tiến hành thí nghiệm được thực hiện với 2 chất lỏng là dầu và nhớt Đối với nhớt tiến hành lần lượt với cả 3 cánh khuấy, với dầu chỉ dùng cánh khuấy turbine lớn Ứng với mỗi loại cánh khuấy phải đo hai chế độ: có hoặc không có tấm chặn Vận tốc khuấy thay đổi từ 50 đến 900 vòng/phút Với nhớt có thể có vận tốc 200,

400, 600, 700, 800 Với dầu nên để 50, 100, 700, 800

Do yêu cầu tính công suất khuấy dựa vào hiệu số công suất của trường hợp

có và không có chất lỏng tương ứng với loại cánh khuấy cùng tốc độ nên phải tiến hành thí nghiệm ở trường hợp có chất lỏng (full) và không có chất lỏng (empty)

Ghi nhận số liệu cho từng thí nghiệm và từng chế độ khác nhau ở môi trường dầu, nhớt, không khí

Không nên chạy máy quá 1000 vòng/ phút Máy sẽ rung, nguy hiểm

Mỗi khi bật công tắc động cơ hay thay đổi tốc độ khuấy phải dùng tay giữ động cơ để cho lực ban đầu không làm động cơ xoay mạnh mẽ gây va chạm hư máy

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

5 SỐ LIỆU THÔ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU

5.2 Xử lý số liệu

Xét trường hợp có tấm chặn, tốc độ quay 50 rpm, gia tốc trọng trường 9.81 m/s2:

Vận tốc cánh khuấy:

𝑁 =50

60= 0.833 𝑟𝑝𝑠 Chuẩn số Froude:

𝑁3𝑑5𝜌=

−264.8990.8333 𝑥 0.155 𝑥 700= −8611.331

Bảng 5.2.1.1 Các giá trị chuẩn số trường hợp dầu – C T2

Nhận xét: sự thay đổi của chuẩn số Froude (tức là sự ảnh hưởng của lực

trọng trường) không lớn và theo lý thuyết thì nó cũng không phải là yếu tố ảnh hưởng quyết định lên NP nên thay vì vẽ giản đồ 3 chiều ta có thể vẽ giản đồ 2 chiều thể hiện mối quan hệ của Re và NP Về mặt lý thuyết, công suất không thể

âm, điều này có thể được giải thích do sự không ổn định của điện thế và dòng điện của toà nhà tuỳ vào lúc đo dẫn đến việc lấy số liệu thiếu sự chính xác

Hình 5.2.1.1 Giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp khuấy dầu bằng cánh

5.2.2 Đối với Nhớt – Cánh khuấy C P2

Thực hiện tương tự các bước đối với dầu ta có các bảng số liệu và giản đồ cho nhớt sau:

Bảng 5.2.2.1 Các giá trị chuẩn số trường hợp nhớt – C P2

5.2.3 Đối với Nhớt – Cánh khuấy C T3

Thực hiện tương tự các bước đối với dầu ta có các bảng số liệu và giản đồ cho nhớt sau:

Bảng 5.2.3.1 Các giá trị chuẩn số trường hợp nhớt – C T3

5.2.4 Đối với Nhớt – Cánh khuấy C T2

Thực hiện tương tự các bước đối với dầu ta có các bảng số liệu và giản đồ cho nhớt sau:

Bảng 5.2.4.1 Các giá trị chuẩn số trường hợp nhớt – C T2

6 BÀN LUẬN

Nhận xét sự ảnh hưởng của tấm chặn đến công suất khuấy

Đối với cánh khuấy Turbin lớn:

Trường hợp khuấy dầu: Công suất khuấy của trường hợp có tấm chặn luôn nhỏ hơn trường hợp không có tấm chặn dù tốc độ khuấy nhanh hay chậm

Trường hợp khuấy nhớt: Công suất khuấy của trường hợp có tấm chặn luôn lớn hơn trường hợp không có tấm chặn nhưng chênh lệch không nhiều Tốc độ khuấy

càng lớn thì công suất càng tăng

Đối với cánh khuấy Turbin nhỏ: Công suất khuấy của trường hợp có tấm chặn

luôn lớn hơn trường hợp không có tấm chặn và khi tốc độ khuấy càng tăng thì chênh

lệch công suất giữa có và không có tấm chặn càng lệch xa nhau nhiều hơn

Đối với cánh khuấy Chân vịt: Công suất khuấy của trường hợp có tấm chặn

luôn lớn hơn trường hợp không có tấm chặn và khi tốc độ khuấy càng tăng thì chênh

lệch công suất giữa có và không có tấm chặn càng lệch xa nhau nhiều hơn và nhiều

nhất giữa các loại cánh khuấy còn lại

Qua các trường hợp ta có thể thấy công suất đối với có tấm chặn ở các trường hợp cánh khuấy hầu như lớn hơn không có tấm chặn, khi ta tăng tốc độ khuấy của

cánh khuấy lên thì công suất sẽ duy trì ở mức cân bằng khi chất lỏng đạt được sự

đồng đều nhất định (đó là hệ số công suất gần tiệm cận về 0) Nguyên nhân của công

suất lớn hơn đối với trường hợp có tấm chặn là do dòng chất lỏng khi chuyển động

va chạm vào tấm chặn gây nên lực ma sát việc này làm chất lỏng đồng đều hơn

nhưng ta phải tiêu tốn một công suất lớn hơn để thắng lực ma sát này

Nhận xét sự tiêu thụ năng lượng của từng loại cánh khuấy

Mức tiêu tốn năng lượng Mức đồng đều của chất lỏng

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

Do sự khác nhau về độ nhớt (độ nhớt của nhớt sẽ cao hơn độ nhớt của dầu) nên với cùng một tốc độ quay thì lực ma sát giữa dầu với cánh khuấy sẽ nhỏ hơn lực ma sát giữa nhớt với cánh khuấy Do đó, vận tốc cánh khuấy khi khuấy dầu phải thay đổi một giá trị đáng kể thì ta mới có thể khảo sát thấy sự thay đổi của lực ma sát, almf giảm đi sai số chủ quan của quá trình thí nghiệm

Trong trường hợp nào thì có xoáy phễu? Theo bạn nó có lợi hay không? Có những phương pháp nào để làm mất xoáy phễu? Bề mặt của xoáy có những dạng lõm xuống hay lồi lên? Tại sao?

Khái niệm: Chất lỏng khi chuyển động trong thùng khuấy chịu tác dụng của lực ly

tâm cánh khuấy, cho nên bề mặt thoáng chất lỏng trong thiết bị từ phẳng chuyển thành parabol mà đáy của nó tại tâm Hiện tượng này gọi là sự tạo phễu trong thiết bị khuấy

Xoáy phễu xảy ra không có lợi:

Do khi xảy ra xoáy phễu thì độ xáo trộn của chất lỏng không cao nên khuấy trong trường hợp này sẽ lâu đạt đến trạng thái hoà trộn hoàn toàn, vì khi xoáy phễu thì chất lỏng dâng lên có thể tràn ra khỏi bình

Làm tiêu tốn thêm một phần năng lượng khi khuấy trộn ở tốc độ cao

Quá trình tạo bọt cũng làm tiêu tốn năng lượng khi có xoáy phễu

Phương pháp làm mất xoáy phễu:

Do đáy của xoáy phễu nằm tại tâm của thùng chứa nên ta đặt lệch tâm để khi xoáy phễu tạo thành bị va vào thành của thùng chứa làm mất vòng xoáy

Lắp tấm chặn để ngăn xoáy phễu, do khi có tấm chặn thì chất lỏng bị cản lại

Bề mặt của xoáy phễu có dạng lõm xuống, do chất lỏng chịu tác dụng của lực ly tâm làm xuất hiện phễu ở đáy thiết bị

Ở vận tốc 200 và 600 rpm thì công suất khuấy khi có tấm chặn nhỏ hơn không

có tấm chặn, còn ở các vận tốc còn lại thì công suất khuấy khi có tấm chặn lớn hơn không có tấm chặn

Trường hợp cánh khuấy C P2

Trong mọi vận tốc khảo sát, công suất khi có tấm chặn luôn lớn hơn trường hợp không có tấm chặn

Nhìn chung, giá trị công suất khuấy khi có tấm chặn thường lớn hơn khi không

có tấm chặn và không khác nhau nhiều lắm Bởi vì khi có tấm chặn thì các dòng lưu chất sẽ bị ma sát với tấm chặn nên sẽ tốn thêm công suất để thắng lực ma sát đó

Nhận xét sự tiêu thụ năng lượng của từng loại cánh khuấy

Với cùng vận tốc khuấy, lực ma sát tác dụng lên cánh khuấy phụ thuộc vào tiết diện vuông góc với vận tốc dài của cánh khuấy

Cánh khuấy kiểu turbine có bề mặt chịu áp lực vuông góc với phương của dòng chảy, vận tốc dài của cánh khuấy lớn hơn cánh khuấy chân vịt nên sẽ chịu tác dụng

Ngoài ra, ta cũng có một nhận xét là khi vận tốc càng lớn thì chênh lệch công suất khuấy tiêu tốn cho từng loại cánh khuấy càng chênh lệch rõ

Ta chọn khoảng cách giữa các vận tốc trong trường hợp khuấy dầu lớn hơn khuấy nhớt vì:

Độ nhớt của dầu nhỏ hơn nhiều so với độ nhớt của nên với cùng một tốc độ quay thì lực ma sát giữa dầu với cánh khuấy sẽ nhỏ hơn lực ma sát giữa nhót với cánh khuấy Do đó vận tốc cánh khuấy khi khuấy dầu phải thay đổi một giá trị đáng kể thì ta mới có thể khảo sát thấy sự thay đổi của lực ma sát, làm giảm đi sai số chủ quan của quá trình thí nghiệm, trong khi đó ta chỉ cần thay đổi vận tốc khuấy nhớt một lượng nhỏ hơn thì đã đạt được những mục đích trên

Nguyên nhân gây ra xoáy phễu:

Chất lỏng khi chuyển động trong thùng khuấy chịu tác dụng của trường lực

ly tâm cánh khuấy, cho nên bề mặt thoáng chất lỏng trong thiết bị từ phẳng chuyển thành parabol mà đáy của nó tại tâm Hiện tượng này gọi là sự tạo phễu trong thiết

bị khuấy

Xoáy phễu là có hại vì:

Sự tạo phễu ảnh hưởng không tốt đến quá trình khuấy Từ phễu khí có thể xâm nhập vào môi trường lỏng làm giảm hiệu quả của quá trình khuấy (ta xét khuấy chất lỏng), đồng thời cánh khuấy chịu tác dụng của lực phụ làm tăng công suất khuấy

Ngoài ra các chất lỏng đem khuấy thường có tính chất vật lý khác nhau (độ nhớt, khối lượng riêng), nên dưới tác dụng của trường lực ly tâm có thể xuất hiện khả năng phân ly (phân lớp) của các chất lỏng, làm giảm hiệu quả của quá trình khuấy (mục đích của khuấy là làm giảm sự không đồng nhất, sự phân lớp của các chất)

Những phương pháp làm mất xoáy phễu là:

Đặt lệch tâm cánh khuấy vào bể khuấy, đặt nghiêng hoặc nằm ngang: nhằm làm cho những xoáy phễu được tạo thành lệch tâm sẽ va đậm vào thành và dội ngược trở lại, phá vỡ lõm xoáy mà không làm tăng diện tích tiếp xúc, tăng lực ma sát và tăng công suất động cơ

Ghép thanh chắn trong thùng khuấy: có chung nhược điểm là tăng diện tích tiếp xúc làm tăng lực ma sát và công suất của động cơ, gồm có:

Ghép tấm chặn ở thành thùng

Đặt ống tuần hoàn trung tâm

Đặt các ống thẳng đứng trong thùng (ống dẫn chất lỏng, nhiệt kế )

Nhận xét sự ảnh hưởng của tấm chặn lên công suất khuấy:

Cùng một vận tốc, công suất khuấy khi có tấm chặn lớn hơn công suất khuấy khi không có tấm chặn

Nguyên nhân: Vì vận tốc khuấy lớn sẽ hình thành phễu làm giảm sự tiếp xúc giữa chất lỏng và cánh khuấy Khi lắp tấm chặn thì tấm chặn sẽ có tác dụng cản trở dòng lưu chất, thay đổi hướng của dòng chảy, gây khó khăn cho cánh khuấy và động

cơ khi quay nên công suất khuấy lớn hơn so với khi không có tấm chặn

Nhận xét sự tiêu thụ năng lượng của từng loại cánh khuấy:

Từ kết quả thí nghiệm, ta thấy khi khuấy cùng một loại chất lỏng (ở đây là nhớt) thì cánh khuấy chân vịt sẽ cho mức tiêu thụ năng lượng nhỏ hơn cánh khuấy turbine Cánh khuấy turbine có bề mặt chịu lực vuông góc với phương của dòng chảy Nên sự chịu lực của cánh khuấy turbine sẽ cao hơn cánh khuấy chân vịt

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

dầu, nên khi thay đổi nhỏ thì lực ma sát sẽ cũng thay đổi, còn dầu thì khó thay đổi nên ta phải chọn các khoảng cách vận tốc cách xa nhau để dễ quan sát hơn

Trong trường hợp nào thì có xoáy phễu? Theo bạn có lợi hay không? Có những phương pháp nào để làm mất xoáy phễu? Bề mặt của xoáy có dạng lõm xuống hay lồi lên? Tại sao?

Trường hợp vận tốc khuấy lớn, không có tấm chặn thì xoáy phễu sẽ xuất hiện rõ rệt hơn, do lưu chất chịu tác dụng của lực ly tâm

Xoáy phễu xảy ra không có lợi Do khi xoáy phễu hình thành làm giảm khả năng tiếp xúc giữa chất lỏng và cánh khuấy, giảm hiệu quả của quá trình khuấy

Có thể giảm bớt sự hình thành xoáy phễu bằng cách sử dụng tấm chặn, đặt cánh khuấy lệch tâm hoặc đặt cánh khuấy nằm ngang hoặc nghiêng,…

Bề mặt của xoáy phễu có dạng lõm xuống

Nhận xét sự ảnh hưởng của tấm chặn lên công suất khuấy:

Nhìn chung, trong thí nghiệm này, cùng một vận tốc, công suất khuấy khi có tấm chặn nhỏ hơn hơn công suất khuấy khi không có tấm chặn

Ở vận tốc 200 và 600 rpm thì công suất khuấy khi có tấm chặn nhỏ hơn không

có tấm chặn, còn ở các vận tốc còn lại thì công suất khuấy khi có tấm chặn lớn hơn không có tấm chặn

Trường hợp cánh khuấy C P2

Trong mọi vận tốc khảo sát, công suất khi có tấm chặn luôn lớn hơn trường hợp không có tấm chặn