Tìm hiểu các loại bơm thể tích

Tìm hiểu các loại bơm thể tích

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

TIỂU LUẬN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ MÁY VÀ HÓA CHẤT

GVHD: ThS Nguyễn Thạch Minh

LỚP: ĐHHC5LT

Nhóm 3

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2010

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện bài tiểu luận này, nhóm chúng tôi đã nhận được

sự giúp đỡ của nhiều người Chúng tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn đến:

Trường ĐH Công Nghiệp TP.HCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sởvật chất, trang thiết bị để chúng tôi học tập, nghiên cứu

Sự giúp đỡ của các thầy cô Trung Tâm Máy và Thiết Bị Hóa Chất đã hỗtrợ kiến thức cho chúng tôi hoàn thành tốt tiểu luận này

Thầy Nguyễn Thạch Minh – giáo viên trực tiếp giảng dạy và hướng dẫntrong suốt quá trình nghiên cứu và tìm hiểu về đề tài tiểu luận Nhờ sự giúp đỡcủa thầy mà nhóm chúng tôi có thể hoàn thành xong tiểu luận này trong thời hạncho phép

Nhóm chúng tôi đã cố gắng hết sức nhưng do kiến thức và thời gian thựchiện còn hạn chế nên bài tiểu luận không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mongnhận được sự nhận xét và góp ý của thầy và các bạn đề tài chúng tôi được hoànthiện tốt hơn

Cuối cùng xin chúc toàn thể quý thầy cô, gia đình và bạn bè dồi dào sứckhỏe và công tác tốt

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY BƠM 5

1.1 Giới thiệu chun 5

1.2 Phân loại bơm 6

Các loại bơm thể tích: 6

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BƠM THỂ TÍCH 9

2.1 Khái niệm chung 9

2.2 Phân loại 9

2.2.1 Bơm pittông (piston 12

2.2.1.1 Khái niệm chung về máy bơm piston 12

2.2.1.3 Phân loại bơm piston 13

a Phân loại theo phương pháp dẫn động: 13

b Phân loại theo kết cấu piston 13

c Phân loại theo số lần tác dụng 13

d Phân loại theo áp suất làm việ 15

e Phân loại theo lưu lượng 15

2.2.1.4 Ưu nhược điểm của bơm pittông 15

2.2.1.5 Các thông số làm việc trong bơm thể tích 16

2.2.1.6 Khả năng tự hút của bơm thể tích 17

2.2.1.7 Lưu lượng của bơm piston 18

2.2.1.8 Khắc phục chuyển động không ổn định của chất lỏng trong hệ thống bơm piston 24

2.2.1.9 Chuyển động không ổn định của chất lỏng trong bơm 26

2.2.1.10 Đường đặc tính của bơm piston 29

2.2.1.11 Động cơ thủy lực piston 30

2.2.2 Bơm bánh răng 36

2.2.4 Bơm rôto cánh trượt 39

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY BƠM

1.1 Giới thiệu chung

Bơm là loại thiết bị được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp,dùng để vận chuyển chất lỏng chuyển động trong ống

Bơm là thiết bị chính cung cấp năng lượng cho chất lỏng để thắng trở lựctrong đường ống khi chuyển động, nâng chất lỏng lên độ cao nào đó, tạo lưulượng chảy trong thiết bị công nghệ…

Bơm là một phương tiện hay thiết bị để vận chuyển lưu chất từ một vị trí(mức) này đến vị trí (mức ) khác bằng cách truyền cơ năng thông qua tác động cơ

học (bằng chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh tiến hoặc kết hợp của cả haichuyển động này), để xảy ra sự chuyển đổi năng lượng như yêu cầu.

Vai trò của bơm trong hệ thống thiết bị công nghệ là vô cùng quan trọng, do

đó để hệ thống công nghệ hoạt động được tốt, một trong những vấn đề quan trọng

là biết phương pháp tính toán và chọn những thông số của bơm cho phù hợp vớiđiều kiện kĩ thuật, lắp đặt và vận hành bơm đúng yêu cầu kĩ thuật

1.2 Phân loại bơm

Dựa vào nguyên lý làm việc người ta chia bơm thành ba loại:

• Bơm thể tích: Việc hút và đẩy chất lỏng ra khỏi bơm nhờ sự thay đổi thểtích của không gian làm việc trong bơm Do đó thể tích và áp suất chấtlỏng trong bơm sẽ thay đổi và cung cấp năng lượng cho chất lỏng

Việc thay đổi thể tích trong bơm có thể do:

- Chuyển động tịnh tiến (bơm pittong)

- Chuyển động quay (bơm roto)

quay tròn của các bơm, khi đó động năng của cánh quạt sẽ truyền vào chấtlỏng tạo năng lượng cho dòng chảy

Năng lượng của cánh quạt truyền vào chất lỏng có thể dưới dạng:

- Lực ly tâm (bơm ly tâm)

- Lực đẩy của cánh quạt (bơm hướng trục)

- Lực ma sát (bơm xoắn ốc)

• Bơm khí động: Việc hút và đẩy chất lỏng được thực hiện nhờ sự thay đổi

áp suất của dòng khí chuyển động trong bơm và tạo năng lượng cho dòngchảy

- Bơm ejector: Việc thay đổi áp suất dòng khí sẽ tạo ra lực lôi cuốnchất lỏng chuyển động cùng dòng khí

- Thùng nén: Tạo áp suất trên bề mặt chất lỏng nhằm tạo cho chấtlỏng có thế năng cần thiết để chuyển động

- Ngoài ra còn có bơm tia, bơm sục khí… các loại bơm này thườngkhông có bộ phận dẫn động mà dùng dòng khí hay hơi làm nguồnđộng lực để đẩy chất lỏng

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BƠM THỂ TÍCH 2.1 Khái niệm chung:

Bơm thể tích: là loại bơm có thể biến đổi trực tiếp cơ năng thành thế năng, thông qua quá trình nén, giảm chất lỏng bằng cách thay đổi theo chu kỳ dung tích trong một thể tích kín

2.2 Phân loại:

Bơm thể tích gồm nhiều loại

 Theo công dụng, có thể chia làm hai loại:

 Bơm nước và các loại chất lỏng khác

 Bơm dầu dùng trong các hệ thống truyền động

 Theo kết cấu và dạng chuyển động, có thể chia ra 3 loại chủ yếu:

 Bơm piston (chuyển động tịnh tiến)

 Bơm piston-roto (vừa có chuyển động tịnh tiến vừa có chuyển độngquay)

 Bơm roto (chuyển động quay)

2.3 Các thông số làm việc cơ bản của bơm thể tích

 Các thông số làm việc cơ bản của bơm thể tích có một số đặc điểm khácvới các

 thông số của bơm cánh dẫn

 Theo nguyên lý, áp suất của chất lỏng trong máy thủy lực thể tích chỉ phụthuộc tải trọng ngoài Nếu buồng làm việc hoàn toàn kín, thì lưu lượng củamáy không phụ thuộc vào áp suất, còn áp suất có thể tăng lên bao nhiêucũng được tùy thuộc vào áp suất phụ tải và công suất của bơm Khi đó lưulượng của máy thủy lực thể tích chỉ phụ thuộc vào vận tốc chuyển độngcủa piston Nếu vận tốc piston không thay đổi thì lưu lượng cũng không

Do vậy, để đảm bảo sự làm việc bình thường của máy, phải hạn chế áp suất làmviệc tối đa bằng cách dùng van an toàn (van sẽ tự động thải chất lỏng để giảm ápsuất làm việc khi tải trọng quá lớn.

2.3.2 Áp suất

Ta biết, cột áp của máy thủy lực thể tích được tạo nên chủ yếu bởi sự thay đổi ápsuất tĩnh của chất lỏng khi chuyển động qua máy Do đó, trong máy thủy lực thểtích thường dùng áp suất để biểu thị khả năng tải của máy

Cột áp H và áp suất p liên hệ với nhau bằng công thức cơ bản của thủy tĩnh học:

γ

p

 γ : trọng lượng riêng của chất lỏng làm việc

Áp suất trong buồng làm việc có liên quan đến lực tác dụng hoặc moment quaycủa máy

* Đối với máy thủy lực thể tích có chuyển động tịnh tiến, áp suất làm việc p tácdụng lên piston tạo nên áp lực P:

P = p.F

 F: iện tích làm việc của mặt piston

* Đối với máy thuỷ lực thể tích có chuyển động quay, áp suất làm việc p tác dụnglên roto tạo nên một moment quay M:

kM thực tế < kM lý thuyết và phụ thuộc vào hiệu suất

Moment quay M là trường hợp lý thuyết (chưa kể tới tổn thất), trong trường hợp kể tới tổn thất thì moment quay của bơm được xác định theo công thức sau:

2.3.3 Hiệu suất và công suất:

Hiệu suất toàn phần của máy thủy lực xác định theo công thức chung:

H Q

Cη ηη

Công suất làm việc của bơm thường được xác định bằng các thông số thủy lực:

ηη

CHƯƠNG 3: CÁC LOẠI BƠM THỂ TÍCH 3.1 Bơm pittông (piston)

3.1.1 Khái niệm chung về máy bơm piston

Máy thể tích làm việc theo nguyên lý nén chất lỏng trong 1 thể tích kíndưới tác dụng của piston (chuyển động tịnh tiến của piston trong xilanh) hay roto(chuyển động quay của roto trong stato) Do bị nén nên thế năng của dòng chảythay đổi còn động năng thì hầu như không đổi, do đó còn gọi máy thể tích là máythủy tĩnh

Có 3 loại máy thể tích điển hình là máy piston (vật chèn có chuyển độngtịnh tiến) và máy roto (vật chèn có chuyển động quay) và máy piston roto (vậtchèn có chuyển động tịnh tiến nhờ chuyển động quay của khối roto) Về nguyêntắc, bất cứ máy thể tích nào cũng có thể làm được hai nhiệm vụ bơm và động cơ.Trong chương này ta khảo sát bơm piston

3.1.2 Cấu tạo và nguyên lí làm việc của bơm piston:

Khảo sát sơ đồ 1 bơm piston : bộ phận chủ yếu là piston 1 tịnh tiến trongxilanh 2 Thể tích làm việc của bơm là không gian giới hạn bởi xilanh, bề mặtpiston và hộp van 5 Khi piston 1 chuyển động qua trái, thể tích buồng làm việctăng lên, áp suất trong buồng làm việc giảm tạo ra độ chân không trong buồng

làm việc, van hút 6 mở, chất lỏng theo ống hút 7 được hút vào buồng làm việc.Khi piston chuyển động sang phải, chất lỏng bị nén, áp suất trong buồng làm việctăng, van hút 6 đóng lại, khi áp suất trong buồng làm việc thắng áp suất trongđường ống đẩy (áp suất phụ tải) thì van đẩy 4 mở và chất lỏng được đẩy ra theođường ống đẩy 3.

Piston được dẫn động bằng động cơ điện, thông qua cơ cấu tay quay 9 vàthanh truyền 10 biến chuyển động quay của trục động cơ thành chuyển động tịnhtiến của piston

Chất lỏng làm việc là nước sạch, dầu khoáng, yêu cầu chất lỏng làm việc làphải sạch, không có các hạt cứng vì khe hở làm việc giữa thành xilanh và piston làrất bé để đảm bảo độ kín, nhằm đáp ứng nhu cầu cao của áp suất làm việc, do đócác hạt cứng sẽ có nguy cơ gây kẹt hoặc trầy xướt bề mặt làm việc của piston,xilanh

3.1.3 Phân loại bơm piston

a Phân loại theo phương pháp dẫn động:

- Bơm tay: (dẫn động bằng tay)

- Bơm dẫn động thẳng: cần piston nối trực tiếp với cần piston của động cơdẫn động

- Bơm dẫn động bằng cơ cấu tay quay thanh truyền:

b Phân loại theo kết cấu piston:

- Piston dạng đĩa: mặt bên piston tiếp xúc với thành xilanh, lót kín bằngcác segment đặt trên piston, cả piston và lòng xilanh đều phải được chế tạo chínhxác

- Piston dạng trụ: đường kính piston nhỏ, mặt tiếp xúc là piston và cổxilanh, do đó lòng xilanh không cần chế tạo với độ chính xác cao Bộ phận lót kín

là những đệm lót nằm trên cổ xilanh do đó có thể chế tạo để lót kín rất tốt

c Phân loại theo số lần tác dụng

Số lần tác dụng là số chu kỳ làm việc của chất lỏng qua bơm trong 1 vòng quaycủa tay quay Ta có các loại sau:

- Bơm piston tác dụng đơn : trong 1 vòng quay của tay quay chỉ có 1 chu

kỳ làm việc của chất lỏng qua bơm Với loại bơm này chất lỏng làm việc ở 1 phíacủa piston

- Bơm piston tác dụng kép (bơm tác dụng 2 chiều):

Trong loại bơm này piston làm việc cả 2 phía, ta có 2 buồng làm việc A,

B ; hai van hút 1,2 và 2 van đẩy 3,4 Trong 1 chu kỳ làm việc của bơm có 2 quátrình hút và 2 quá trình đẩy chất lỏng

Khi piston qua phải, buồng A là buồng đẩy, buồng B là buồng hút, khipiston qua trái thì ngược lại, thể tích buồng A tăng, thực hiện quá trình hút chấtlỏng, còn buồng B thực hiện quá trình đẩy chất lỏng, a và b là ống hút chung vàống đẩy chung Diện tích mặt làm việc của piston là:

4

d D F

2 2

A

− π

=

4

D F

Đây chính là ba bơm tác dụng đơn ghép lại, trục của ba bơm được dẫn độngbằng 1 trục khủyu với góc lệch cổ khuỷu là 120o, chất lỏng được đưa vào và racác xilanh bằng 1 đường ống hút chung và 1 đường ống đẩy chung.

- Bơm piston tác dụng bốn:

Là hai bơm tác dụng kép ghép với nhau, trục của hai bơm được dẫn động bằng 1trục khủyu với góc lệch cổ khuỷu là 90o, chất lỏng được đưa vào và ra các xilanhbằng 1 đường ống hút chung và 1 đường ống đẩy chung

d Phân loại theo áp suất làm việc

Dựa vào áp suất làm việc, bơm piston được chia ra:

Bơm áp suất trung bình: p = (10 ÷ 20) at

e Phân loại theo lưu lượng

Dựa vào lưu lượng, bơm piston được chia ra:

Bơm lưu lượng trung bình: Q = (15 ÷ 60) m3/h

3.1.4 Ưu và nhược điểm của bơm piston

Máy thể tích có ưu điểm là tạo được áp suất cao với lưu lượng bé, mhưngđồng thời có các nhược điểm sau:

 Yêu cầu chất lỏng làm việc phải sạch.

 Dòng chảy qua ống hút và ống đẩy là không liên tục, có hiện tượng daođộng lưu lượng và áp suất trong máy thể tích Đây là nhược điểm cơ bảncần khắc phục trong máy thể tích nói chung và trong bơm piston nói riêng.Hiện nay để khắc phục hiện tượng dao động lưu lượng và áp suất ta sửdụng bình điều hòa đặt trên đường ống hút hoặc đường ống đẩy

3.1.5 Các thông số làm việc trong bơm thể tích :

 Cột áp H:

Trong bơm thể tích, năng lượng dòng chảy trao đổi với máy chủ yếu là áp năng Gọi: evào là năng lượng đơn vị của chất lỏng tại mặt cắt vào của bơm

era là năng lượng đơn vị của chất lỏng tại mặt cắt ra của bơm

Cột áp H của bơm được định nghĩa:

H = era - evào = zra - zvao +

g 2

v v p

vao

2 ra vao

γ

−

(1)Trong bơm thể tích thường v1 = v2 ; z1≅ z2 do đó:

γ

= γ

∆

= γ

−

Vậy cột áp của bơm thể tích phụ thuộc vào:

 Áp suất phụ tải

 Khả năng lót kín của thể tích làm việc, nếu lót kín không tốt, dưới áp suấtlớn sẽ gây rò rỉ lớn dẫn tới mất mát lưu lượng và cột áp

 Công suất của bơm và độ bền chi tiết phải đáp ứng được yêu cầu về cộtáp

 Nếu buồng làm việc hoàn toàn kín, nếu bơm có đủ công suất và các chi tiết

đủ bền thì áp suất làm việc của bơm phụ thuộc hoàn toàn vào yêu cầu củaphụ tải và có thể tăng đến vô cùng Trong thực tế, đến 1 giá trị nào đó củacột áp, chất lỏng sẽ hoàn toàn bị mất mát do rò rỉ, nghĩa là áp suất làm việccủa bơm bị giới hạn

Lưu lượng riêng q của bơm là thể tích làm việc của bơm trong 1 chu kỳ (thể tíchchất lỏng vận chuyển qua bơm trong 1 chu kỳ)

Lưu lượng lý thuyết của bơm thể tích được tính như sau:

60

n q

Lưu lượng thực tế khi tính đến rò rỉ:

Q = Qlt - ∆Q

∆Q là lưu lượng rò rỉ trong bơm (từ khoang áp suất cao đến khoang áp suất thấp)

và lưu lượng rò rỉ ra ngoài bơm, ∆Q phụ thuộc chất lượng đệm lót, chất lỏng làmviệc và áp suất làm việc Ap suất làm việc càng lớn, độ nhớt chất lỏng làm việccàng nhỏ thì lưu lượng rò rỉ càng lớn

Do lưu lượng của máy thể tích dao động theo thời gian nên ta sẽ khảo sát 2loại lưu lượng :

Lưu lượng tức thời: xác định tại 1 thời điểmLưu lượng trung bình: xác định trong 1 khoảng thời gian làm việc

Đối với bơm piston, để tạo cho chất lỏng 1 độ tăng áp suất làm việc ∆p thìphải tác dụng lên piston 1 lực:

F:là diện tích làm việc của piston

Công suất thủy lực: công suất thực tế mà bơm cung cấp cho chất lỏng

Q p

p Q H

Q

= γ

γ

= η

⋅ η

⋅ η

γ

ck tl Q tr

η:bao gồm hiệu suất cơ khí do tổn thất cơ khí giữa các bộ phận làm việc, hiệu suấtlưu lượng do rò rỉ và hiệu suất thủy lực

3.1.6 Khả năng tự hút của bơm thể tích

Bơm piston hay bơm thể tích nói chung đều có thể tự hút được, nghĩa là cóthể tự khởi động mà không cần mồi bơm như bơm ly tâm.

Giả sử ở thời điểm bắt đầu làm việc piston ở vị trí tận cùng về phía phải (vịtrí A-A) Trong buồng làm việc, hộp van và ống hút đều có không khí chiếm chỗ.Gọi Vo: thể tích không khí chiếm chỗ trong hệ thống lúc piston ở vị trí A-A

F : diện tích mặt làm việc của piston

S : hành trình của piston ứng với nửa vòng quay của tay quayKhi piston chuyển động về vị trí tận cùng phía trái (ứng với 1/2 vòng quay của tayquay), không khí sẽ dãn nở vì thể tích buồng làm việc tăng, giả sử quá trình dãn

nở là quá trình đoạn nhiệt, phương trình cơ bản của chất khí cho:

V p

lượng không khí còn lại trong hệ thống là Vo’= Vo - h

4

d2 h

π

Piston chuyển động về phía trái, lượng không khí Vo’tiếp tục dãn nở , ápsuất giảm và chất lỏng tiếp tục dâng lên trong ống hút Quá trình cứ tiếp tục chođến khi chất lỏng đièn đầy xilanh, khi đó bơm coi như đã tự mồi xong , bắt đầulàm việc với chất lỏng

3.1.7 Lưu lượng của bơm piston

a Lưu lượng trung bình

Lưu lượng lý thuyết trung bình được định nghĩa theo công thức (3) :

Qlt = q

60 n

Bơm tác dụng đơn qdon = F.S = F.2RT

Do có rò rỉ nên lưu lượng thực trung bình là:

b Lưu lượng tức thời

Trong 1 vòng quay của tay quay của bơm piston tác dụng đơn, dòng chấtlỏng qua ống hút và ống đẩy là không liên tục, chỉ xuất hiện trong 1/2 chu kỳ.Ngoài ra, khi có dòng chất lỏng xuất hiện trong ống hút (hoặc trong ống đẩy) thìlưu lượng dòng chảy cũng không là hằng số mà dao động theo thời gian, chính vìvậy mà ta khảo sát lưu lượng tức thời tức là lưu lượng tại từng thời điểm

Lưu lượng tức thời tính tại thời điểm t ứng với góc quay ϕ của tay quayđược tính bằng tích số của diện tích mặt làm việc của piston với vận tốc chuyểnđộng của piston

quay

l: chiều dài thanh truyền : l >> RT (l > 5 RT)

β: góc giữa thanh truyền và đường tâm xilanh ứng với góc quay ϕ

Khi tay quay quay 1 góc ϕ thì piston chuyển dời 1 đoạn x là:

x = BB0 = OB0 - OB = (RT + l) - (RT.cos ϕ +l.cos β)Thường β rất bé nên cos β≅ 1

(8) = RT.(1- cos ωt)

π

= F.⋅ π ⋅ R ⋅ sin ϕ

60

n 2

Kết luận: lưu lượng tức thời có qui luật dao động hình sin

Tại 1 thời điểm, lưu lượng tức thời là lưu lượng của quá trình hút hoặc lưu lượngcủa quá trình đẩy

ϕ = 0o÷ 180o: lưu lượng trong quá trình hút

ϕ = 0o , 180o⇒ Qmin= 0 ϕ = 90o ⇒ Qmax=

60

n 2 R

F ⋅ T ⋅ π

ϕ = 180o ÷ 360o , ⇒ Qϕ hut = 0

ϕ = 180o÷ 360o: lưu lượng trong quá trình đẩy

c Hệ số không đều của lưu lượng

Để đánh giá mức độ không ổn định của lưu lượng ta đưa vào 1 hệ số đặc