khuấy chất lỏng

Kết quả thí nghiệm: - Sau khi thí nghiệm, đo đạc và tính toán ta thu được 4 giản đồ chuẩn số công suất khuấy Np theo chuẩn số Re cho từng trường hợp chất lỏng là nhớt và dầu Đồ thị phần

Contents 1

1.TRÍCH YẾU 1

1.1 Mục đích : 1

1.2 Phương pháp TN: 2

1.3 Kết quả thí nghiệm: 2

2 LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM: 3

2.1 Khái niệm: 3

2.2 Xác định công suất cánh khuấy P: 3

2.3 Giản đồ công suất và các chuẩn số đặc trưng: 3

2.4 Nguyên tắc khuếch đại đồng dạng 5

2.5 Tiên đoán công suất trong các hệ thống thực: 5

3 THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: 5

3.1 Thiết bị TN : 5

3.2 Phương pháp TN: 6

3.3 Nội dung TN 6

4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM: 6

4.1 Số liệu thơ 6

4.2 Trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CT2 7

4.3 Trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CT3 8

4.4 Trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CP2 9

4.5 Trường hợp khuấy dầu bằng cánh khuấy CT2 10

4.6 Xây dựng giản đồ Công suất khuấy – Vận tốc khuấy cho bồn nhớt 50m3 đồng dạng bồn nhớt thí nghiệm: 11

5 BÀN LUẬN: 12

6 PHỤ LỤC 18

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

1.TRÍCH YẾU

1.1 Mục đích :

Khảo sát giản đồ chuẩn số công suất khuấy Np với nhiều hệ thống có hình dạng khác nhau

1.2 Phương pháp TN:

 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

 Tính chuẩn số Reynold

 Tính chuẩn số công suất

 Vẽ giản đồ 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

1.3 Kết quả thí nghiệm:

- Sau khi thí nghiệm, đo đạc và tính toán ta thu được 4 giản đồ chuẩn số công suất khuấy (Np) theo chuẩn số Re cho từng trường hợp chất lỏng là nhớt và dầu (Đồ thị phần 4.4)

- Ơû tất cả các trường hợp, vận tốc khuấy đều dưới 1100 vòng/phút Trên 1100 vòng/phút, máy bị lắc mạnh

- Nhận xét kết quả TN:

• Trong trường hợp có tấm chặn thì chẩn số công suất luôn lớn hơn trong trường hợp không có tấm chặn Nghĩa là công suất tiêu hao P cho khuấy có tấm chặn lớn hơn khi không có tấm chặn với cùng một giá trị vận tốc khuấy

• Khuấy dầu dễâ tạo lõm xoáy hơn khi khuấy nhớt

2 LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM:

2.1 Khái niệm:

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

2.2 Xác định công suất cánh khuấy P:

Công suất khuấy P phụ thuộc nhiều yếu tố được biễu như sau:

, , , , , , ,

f

P= µ ρ các kích thước khác) (1) Bằng phương pháp phân tích thứ nguyên, người ta thiết lập các phương trình chuẩn số tính công suất khuấy dưới dạng:

ρ N3 d5

N

P= p (2) Trong đó Np là chuẩn số công suất, nó phụ thuộc vào chế độ thủy động lực học của thiết bị:

, ) , (Re,Fr Ga f

N p = (3) Với:

• N3d5ρ

P

Np= : Chuẩn số công suất, vô thứ nguyên.

• Re= d N2 ρ

µ : Chuẩn số Reynolds của cánh khuấy, tỷ số giữa lực ly tâm & lực ma sát

• Fr N d

g

= 2 : Chuẩn số Froude, tỷ số giữa lực ly tâm & lực trọng trường, đặc trưng cho sự hình thành xoáy phễu

• d

D

Z

D

H

, , , , , 1 2 là các thừa số hình dạng của hệ thống.

Trong đó :

♦ P : Công suất khuấy (W)

♦ N : Vận tốc cánh khuấy (1/s)

♦ d : Đường kính cánh khuấy (m)

♦ ρ : Khối lượng riêng của chất lỏng khuấy (kg/m3)

♦ µ : Độ nhớt động lực học chất lỏng khuấy (N/s.m)

Như vậy vấn đề ước đoán công suất khuấy rất phức tạp vì cần biết rõ cả ảnh hưởng của hình dáng hệ thống

2.3 Giản đồ công suất và các chuẩn 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

- Chuẩn số công suất:

Ta có thể viết:

P = Ff.v = J.A.v

A ~ d2

v ~ πdN Trong đó :

•Ff : Lực ma sát

•v : vận tốc lưu chất

•J : Hệ số ma sát

•A : Diện tích cánh khuấy vuông góc với phương chuyển động của dòng lưu chất

•d : Đại lượng chiều dài

d N

Jd N

d N

J

d N

J v

3

=

Ta thấy chuẩn số công suất có ý nghĩa của một thùa số ma sát

- Chuẩn số Reynolds cánh khuấy:

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

Re= D v .ρ = d N .

µ

ρ µ

2

(5)

- Chuẩn số Froude:

Là tỉ số giữa lực ly tâm và gia tốc trọng trường

g

v

d g

= . =

Chính quân bình giữa hai lực này tạo nên xoáy lốc hình phễu Xoáy lốc này gây ra lực phụ tác dụng ngang lên trục khuấy, lực này sẽ rất lớn nếu độ sâu xoáy phễu lớn hơn độ sâu cánh khuấy tính từ mặt thoáng chất lỏng và khi đó khí sẽ lọt vào chất lỏng làm giảm đáng kể hiệu suất khuấy Sự tạo phễu 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 phễu càng lớn, để khắc phục hiện tượng này, người ta bố trí những tấm chặn để ngăn cản sự tạo phễu, khi này hiệu suất khuấy tăng lên nhưng công suất cánh khuấy cũng tăng lên do sức cản khuấy tăng

- Nếu lực ly tâm nhỏ (Re < 300) thì chuẩn số Fr chưa đáng kể (gần bằng số không)và công suất khuấy trong trường hơp có tấm chắn và không có tấm chắn là như nhau, xoáy lốc chưa xuất hiện

- Ở chuẩn số Re cao trong bình không có tấm chắn người ta gộp ảnh hưởng của chuẩn số Fr vào chuẩn số công suất qua định nghĩa của chuẩn số công suất hiệu chỉnh:

m Fr

Np

Np*= (7) Lũy thừa m tùy thuộc hình dáng của cánh khuấy và của hệ thống

m a

b

= −log(Re) (8) Trong đó : a,b là các hằng số phụ thuộc hình dạng cánh khuấy và các thừa số hình dạng

Đối với chong chóng 3 cánh bước 2 có H/Dt = 3,3 và Z/d = 1 thì a = 1,7 và b = 18,0

Một cách tổng quát, ta có :

Np = = N (9) Trong đó : CN, α1, α2, là các hằng số phụ thuộc chế độ khuấy

Nếu lưu chất khuấy có chế độ chảy :

•Chảy tầng : α1 = -1, α2 = 0 khi này P0 = CNRe-1

•Chảy rối có tấm cản : α1 = 0, α2 = 0 khi này P0 = CN

•Chảy rối không có tấm cản : α1 = 0, α2 = a

b

−log(Re)

, trở lại trường hợp trên

2.4 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 động học

• Đồng dạng động lực học

Mô hình đồng dạng hoàn toàn đòi hỏi tất cả các chuẩn số vô thứ nguyên tương ứng bằng nhau

Khi cần thiết kế một hệ thống khuấy lớn cho công nghiệp, người ta thường tạo một mô hình nhỏ rồi đo thực nghiệm 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

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 dị biệt thì ta có thể dùng hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm

Tuy nhiên bằng thực nghiệm người ta nhận thấy : N p = f(Re) Có 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 : m

N = Re− , các giá trị

C & m được xác định qua các bảng tra

• Xác định Np theo đồ thị (dùng giản đồ công suất)

2.5 Tiên đoán công suất trong các 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 phải 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 thể tiên đoán công suất thực cần thiết

3 THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM:

3.1 Thiết bị TN :

• 2 bình chứa dầu và nhớt

• 2 cánh khuấy turbine CT2, CT3 & 1 cánh khuấy chân vịt CP2

• 1 trục gắn cánh khuấy

• 1 bộ tấm chặn 4 tấm

• 1 động cớ ¼ mã lực có thể thay đổi vận tốc 0 – 1200v/ph bằng hộp số

• 1 lực kế lò xo có thang đo 0 – 2lbf

• 1 vận tốc kế có 3 thang đo ( 0- 3000; 0- 600; 0 – 1200v/ph) (ở đây chọn thang đo 0-3000)

3.2 Phương pháp TN:

3.2.1 Đo công công suất khuấy:

Công suất khuấy P được tính bằng công thức:

N F r

P=2π (10) Trong đó: r = 5 inch là khoảng cách từ vị trị gắn lò xo đến trục động cơ; F-lực ma sát giữa chất lỏng và cánh khuấy, N- số vòng quay cánh khuấy

3.2.2 Vận tốc khuấy N:

Đọc trên vận tốc kế (v/ph)

3.3 Nội dung TN

(1) Chọn lưu chất dầu hay là nhớt để tiến hành TN

(2) Chọn cánh khuấy turbine (CT2 hay CT3) hay cánh khuấy chân vịt CP2 lắp vào trục khuấy

(3) Đôi với nhớt điều chỉnh tốc độ khuấy là 300,400,500,600 Còn đối với dầu thì chọn tốc độ khuấy là 200,300,400,500 vòng/phút

* Chú ý khi tiến hành TN :

• Không nên chạy máy quá 1100vòng/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, phải 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 cánh 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 tộc, phải tháo rời lò xo khỏi động cơ

4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM:

4.1 Số liệu thơ.

(vòng/ph)

F(lbf)

chặn 400 0.045

- cánh khuấy

C T3

Không có tấm

- cánh khuấy

C P2

Không có tấm chặn

Dầu -cánh khuấy C T2 Không có tấm

chặn

4.2 Trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T2

Nhớt- Có tấm chặn

N(v/ph) N(v/s) F(lbf) F(N) P(W) Re Np Ghi chú

4.3 Trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T3

CT3

Nhớt-Không cĩ tấm chặn

Nhớt- Có tấm chặn

4.4 Trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C P2

CP2

Nhớt-Không cĩ tấm chặn

Nhớt- Có tấm chặn

4.5 Trường hợp khuấy dầu bằng cánh khuấy C T2

CT2

Dầu-Không cĩ tấm chặn

Dầu- Có tấm chặn

4.6 Xây dựng giản đồ Công suất khuấy – Vận tốc khuấy cho bồn nhớt 50m3 đồng dạng bồn nhớt thí nghiệm:

Đường kính bồn nhớt thực tế: D = 4.572m

Chọn loại cánh khuấy mái chèo đồng dạng với cánh khuấy CT2 có đường kính

d = 1.45161 m (trường hợp cĩ tấm chặn)

Vận tốc khuấy

4.4 Đồ thị

5 BÀN LUẬN:

5.1 Ảnh hưởng của tấm chặn đến công suất khuấy:

- Trong các thí nghiệm, ta luôn thấy với cùng một vận tốc khuấy, trường hợp lắp tấm chặn sẽ có chuẩn số công suất (hay công suất) khuấy cao hơn so với không lắp tấm chặn

- Khi vận tốc khuấy nhỏ, công suất khuấy khi có và không có tấm chặn chênh lệch không nhiều.Vì lúc này ảnh hưởng lực ly tâm không đáng kể, lúc này chưa xuất hiện xoáy phễu, dòng lưu chất không tác dụng nhiều với tấm chặn nên ảnh hưởng của tấm chặn không thể hiện rõ

- Khi vận tốc khuấy lớn, lực ly tâm cũng lớn, xuất hiện xoáy phễu trong thiết bị không có tấm chặn.Nếu có tấm chặn, trở lực cản trở dòng chảy xoáy tròn của chất lỏng trong bồn khuấy tăng, chất lỏng sẽ va đập vào các tấm chặn, truyền bớt năng lượng, giảm vận tốc,

chảy theo biên tấm chặn, không tạo thành xoáy phễu Khi đó chất lỏng ngoài tiếp xúc với

bình còn ma sát với tấm chặn, mất thêm năng lượng , đồng thời chất lỏng dội ngược về va chạm nhiều hơn với cánh khuấy, nên công suất khuấy khi có tấm chặn cần phải lớn hơn Trong trường hợp có tấm chặn nếu dùng một công suất bằng với trường hợp không lắp tấm chặn thì do trở lực dòng chảy đó, vận tốc khuấy sẽ đạt giá trị thấp hơn Vì vậy, để đảm bảo được vận tốc khuấy cần thiết, ta phải cung cấp một công suất lớn hơn trường hợp không lắp tấm chặn

-Trong bài thí nghiệm, công suất khuấy (P) được tính theo công thức : P = N P.N3.d5.ρ (W) Có thể thấy công suất khuấy tỉ lệ thuận với chuẩn số công suất khuấy NP Do đó có thể

dựa vào giản đồ công suất khuấy để nhận xét Kết quả thí nghiệm thực tế tương đối chính xác

so với lí thuyết Trường hợp lắp tấm chặn chuẩn số công suất khuấy cao hơn hẳn so với thành trơn => Công suất khuấy cao hơn

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 tiết diện vuông góc với vận

tốc dài của cánh khuấy Tiết diện càng lớn, lực cản của chất lỏng lên cánh khuấy càng lớnnăng lượng tiêu hao để thắng lực cản đó càng lớn

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

dy

= µ Trong đó :

•P : Lực cản (N)

• µ : Hệ số nhớt động lực học (N.s/m2)

•A : Tiết diện vuông góc với vận tốc dòng chảy

•dv/dy : Gradient vận tốc lưu chất theo phương vuông góc dòng chảy

Trong thí nghiệm, ta thấy

- Cánh khuấy CT2 tiêu thụ năng lượng lớn hơn cánh khuấy CT3, thể hiện ở chỗ công suất khuấy lớn hơn Vì: cánh khuấy CT2 có đường kính 3 inch, cánh khuấy CT3 có đường kính 2.5 inch diện tích bề mặt vuông góc vận tốc dài cánh khuấy của cánh khuấy CT3 lớn hơn

- Cánh khuấy CP2, tuy có đường kính bằng với cánh khuấy CT3, tuy nhiên cấu tạo của nó có dạng chong chóng, phần tiết diện vuông góc với vận tốc dài của nó bé hơn cả cánh khuấy CT3 vì thế nó tiêu thụ năng lượng thấp nhất Có một điểm cần lưu ý là do cấu tạo như chong chóng, cánh khuấy CP2 sẽ làm tăng lực đẩy theo chiều trục, vì vậy nó sẽ tăng cường khuấy trộn dọc

• Xét thực tế bài thí nghiệm, kết quả tương đối chính xác so với lí thuyết Vẽ giản đồ so sánh công suất tiêu thụ của các loại cánh khuấy trong trường hợp khuấy nhớt (có tấm chặn và không có tấm chắn) có thể thấy được mối tương quan này Như vậy ta có thể thấy mức tiêu thụ năng lượng của các loại cánh khuấy lần lượt là

CT2 > CT3 > CP2

Ngoài ra, trên đồ thị có một số điểm không chính xác là do sai số trong quá trình thí nghiệm

3 Khoảng cách giữa các vận tốc trong trường hợp khuấy dầu lớn hơn khuấy nhớt:

Theo hướng dẫn thí nghiệm : với nhớt có thể chọn vận tốc 200, 400,600, 800 và 1000; với dầu có thể chọn 50, 400, 700, 900, 1100

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 khoảng 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 hơn thí nghiệm khuấy nhớt để tăng khoảng cách các lực ma sát đo đượcdễ đọc giá trị trên lực kế

Khi làm thí nghiệm, vận tốc chọn với nhớt 300, 400, 500, 600; với dầu 200, 300, 400,

500 Khoảng cách giữa vận tốc khi đo với dầu và nhớt không chênh lệch nhau nên đọc giá trị có phần khó khăn do biên độ dao động của lực kế nhỏ

4 Trong trường hợp nào thì có xoáy phễu ? Xoáy phễu có lợi hay không Có những phương án nào làm mất xoáy phễu ? Bề mặt của xoáy phễu lõm xuống hay lồi lên? Tại sao?

• 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 xuất hiện khi vận tốc xoay của dòng lưu chất lớn, lực ly tâm đủ lớn, sẽ tạo

ra một trường lực cân bằng với trọng lực chất lỏng làm cho bề mặt phần chất lỏng phân bố theo dạng cong lõm Dạng cong lõm của xoáy được giải thích theo 2 cách: + Theo giải tích:

Mặt thoáng chất lỏng trong thiết bị là mặt cong được biểu diễn bởi phương trình:

rg

v dr

0 =

Trong đó: z0 – là độ sâu của phễu, z0 = h1 + h2;

g

d N B z

2

2 2

0 = B- tham số phụ thuộc vào thông số phân bố tốc độ,ψ1 B = f(ψ ) được

biễu diễn trên đồ thị

h1-khoảng cách từ mực chất lỏng ban đầu đến đến đáy của lõm xoáy,m

h2- mực chất lỏng dâng lên ở thành thiết bị,m

Rõ ràng lấy tích phân của phương trình trên thì z0 = - f(vt , r, g, …) < 0, do vậy bề mặt của lõm xoáy (dạng parabol) sẽ lõm xuống

+ Theo bản chất: lực ly tâm có xu hướng đem các phần tử chất lỏng từ tâm ra ngoài Đến thành bình, chúng bị cản lại và ứ đọng tại đó Vì vậy mật độ các phần tử chất lỏng ở tâm bình sẽ ít hơn ở ngoài thành bình vì vậy sẽ xuất hiện dạng lõm (do thiếu chất lỏng ở tâm bình khuấy)

Cánh khuấy chân vịt có tác dụng tăng cường khuấy trộn dọc nên sẽ ít tạo xoáy phễu hơn

• Thường thì xoáy phễu không có lợi,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

- Chất lỏng còn có thể bị tổn thất do bị tràn ra ngoài