Báo cáo 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

BÀI 3: KHUẤY CHẤT LỎNG

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 Cơ sở lý thuyết

1.2.1 Khái niệm cơ bản

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

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

1.2.2 Phân tích thứ nguyên

Công suất khuấy P phụ thuộc vào: ƒ

• Vận tốc cánh khuấy N, v/s; ƒ

• Đặc tính của chất lỏng: độ nhớt , khối lượng riêng; ƒ

• Đường kính cánh khuấy d, m; ƒ

• Đường kính bình khuấy D (m) và cấu trúc bình khuấy (loại cánh khuấy, hình dạng bình chứa, số tấm chắn,…)

Như vậy ta có được quan hệ:

P = f(N,d,,,D,H,Z, các kích thước hình học khác) (1)

Phân tích thứ nguyên cho thấy:









=

D

H D

Z D

d g

d N N d f d N

P

;

;

;

;

2 2

5

ρ

Trong đó:

P

Np = 3 : chuẩn số công suất, có ý nghĩa của một thừa số ma sát

•

µ

ρ

N

d2

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

•

g

d

N

Fr

2

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

•

D

H

D

Z

D

d

;

; : các thừa số hình dạng của hệ thống

Giữa các hệ thống thỏa mãn điều kiện đồng dạng hình học, các thừa số hình dạng bằng nhau Ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của chúng, vì thế:

NP = f(Re,Fr) (3)

1.2.4 Giản đồ công suất

Công thức để xác định công suất khuấy trộn:

P=NPN 3 d 5 ρ

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 3 chiều người ta sẽ chuyển về 2 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 Sinh viên có thể tìm hiểu một số giản đồ đã được xây dựng trong các tài liệu tham khảo Hai giản đồ dưới đây được trích lại từ tài liệu [1]

1.3 Thiết bị thí nghiệm:

• 2 bình chứa dầu và nhớt

• 2 cánh khuấy turbine CT2 (lớn), CT3 (nhỏ) và 1 cánh khuấy chân vịt CP2

• 2 bộ tấm chặn cho 2 bình khuấy gồm 4 cánh/bộ

• 1 động cơ 1 Hp có thể thay đổi tốc độ từ 0 đến 1200 vòng/phút (rpm) bằng hộp số Động cơ được đặt trên ổ bi

1.4 Phương pháp TN:

a) Trình tự thí nghiệm

1 HOẠT ĐỘNG:

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

- Lắp loại cánh khuấy cần thiết làm thí nghiệm, lắp tấm chặn khi cần thiết

- Khi đèn NGUỒN (màu xanh bên trái, trên) sáng báo có điện bật CB lên

- Xoay công tắc (màu đen bên dưới) theo chiều kim đồng hồ, motor cánh khuấy quay

- Nhấp nút bấm trên hoặc dưới (bên phải bảng điều khiển) để điều chỉnh số vòng quay của motor

2 NGƯNG:

- Xoay công tắc (màu đen) ngược chiều kim đồng hồ Motor cánh khuấy ngừng hoạt động

- Tắt CB

b) Nội dung thí nghiệm:

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 CT2 Ứng với mỗi loại cánh khuấy phải đo hai chế độ: có và không có tấm chặn Vận tốc khuấy thay đổi từ 50 đến 900 vòng/phút Với nhớt có thể vận tốc 200, 400, 600, 700, 800 Với dầu nên để 50,100, 700, 900

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) Nội dung trên đây có thể thay đổi tùy theo giáo viên hướng dẫn

Chú ý:

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

- Mỗi khi bật tắt 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 và hư máy

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

c) Cách tính công suất khuấy:

Công suất khuấy được tính như sau:

P mixer = Pfull – Pempty

Ở đây Pfull và Pempty là công suất tiêu thụ điện khi có chất lỏng và khi không có chất lỏng

P full = Ufull.Ifull.k

P empty = Uempty.Iempty.k

• Ufull, Uempty – điện thế nguồn

• V U được đọc trên đồng hồ Volt của tủ điệ

• Ifull, Iempty – cường độ dòng điện tiêu thụ

• I được đọc trên đồng hồ Ampe của tủ điện

• k – hệ số Nhận k = 0,9

2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM:

2.1 Trường hợp khuấy dầu bằng cánh khuấy C T2

• Cĩ cánh chặn

N

Khơng cĩ chất lỏng (Empty)

Cĩ chất lỏng

50 253.183 218.200 0.550 198.500 0.837 108.009 149.530 41.521 1351.385

101 511.429 218.601 0.592 197.900 0.970 116.471 172.767 56.296 222.163

701 3549.624 219.301 0.711 198.700 1.577 140.331 282.015 141.684 1.671

899 4552.228 218.212 0.781 198.200 2.144 153.381 382.447 229.066 1.281

• Khơng cánh chặn

N

Khơng cĩ chất lỏng (Empty)

Cĩ chất lỏng

50 253.183 218.200 0.550 199.000 0.797 108.009 142.743 34.734 1130.477

101 511.429 218.601 0.592 203.400 0.968 116.471 177.202 60.731 239.666

701 3549.624 219.301 0.711 203.900 1.124 140.331 206.265 65.935 0.778

899 4552.228 218.212 0.781 204.100 1.319 153.381 242.287 88.906 0.497

Giản đồ chuẩn số công suất khuấy trường hợp khuấy dầu bằng cánh khuấy C T2

(có cánh chặn và không có cánh chặn)

2.2 Trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T2

• Có tấm chặn

N

Không có chất lỏng (Empty)

Có chất lỏng

200 701.327 218.700 0.592 201.100 1.005 116.523 181.895 65.372 91.169

401 1406.231 219.891 0.667 201.700 1.069 132.001 194.056 62.055 21.526

599 2100.615 219.396 0.697 203.300 1.433 137.627 262.196 124.569 19.365

701 2458.327 218.495 0.729 202.900 1.787 143.416 326.324 182.909 20.761

800 2805.519 219.400 0.755 209.900 2.003 149.082 378.387 229.304 19.984

• Không có tấm chặn

Không có chất lỏng Có chất lỏng

200 701.327 218.700 0.592 198.900 0.999 116.523 178.831 62.308 86.896

401 1406.231 219.891 0.667 198.000 1.061 132.001 189.070 57.070 19.797

599 2100.615 219.396 0.697 197.700 1.280 137.627 227.750 90.123 14.010

701 2458.327 218.495 0.729 200.300 1.376 143.416 248.052 104.636 11.877

800 2805.519 219.400 0.755 201.900 1.512 149.082 274.746 125.663 10.952

Giản đồ chuẩn số công suất khuấy trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CT2

(có cánh chặn và không có cánh chặn)

2.3 Trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T3

• Có tấm chặn

N

(v/p)

Re Không có chất lỏng

(Empty)

Có chất lỏng (Full)

Uempty Iempty Ufull Ifull

200 175.332 218.300 0.580 203.400 0.942 113.953 172.443 58.490 2610.272

401 351.558 218.960 0.619 203.800 0.977 121.983 179.201 57.219 635.144

599 525.154 218.797 0.680 206.200 0.991 133.904 183.910 50.006 248.757

701 614.582 218.802 0.699 204.300 1.027 137.648 188.834 51.186 185.916

800 701.380 219.000 0.725 205.000 1.079 142.898 199.076 56.178 156.669

• Không có tấm chặn

N

Không có chất lỏng (Empty)

Có chất lỏng

200 175.332 218.300 0.580 204.700 0.934 113.953 172.071 58.118 2593.670

401 351.558 218.960 0.619 203.000 0.971 121.983 177.402 55.419 615.163

599 525.154 218.797 0.680 204.500 0.978 133.904 180.001 46.097 229.311

701 614.582 218.802 0.699 203.200 0.990 137.648 181.051 43.403 157.647

800 701.380 219.000 0.725 204.000 1.012 142.898 185.803 42.906 119.657

Giản đồ chuẩn số công suất khuấy trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CT3

(có cánh chặn và không có cánh chặn) 2.4 Trường hợp khuấy dầu bằng cánh khuấy CP2

• Có tấm chặn

N

Không có chất lỏng (Empty)

Có chất lỏng

200 701.327 217.900 0.601 207.000 0.994 117.862 185.182 67.320 28.168

401 1406.231 218.694 0.658 207.100 1.115 129.511 207.825 78.314 4.065

599 2100.615 218.397 0.709 205.500 1.144 139.359 211.583 72.224 1.125

701 2458.327 218.495 0.729 207.800 1.213 143.355 226.855 83.501 0.811

800 2805.519 218.000 0.760 207.300 1.257 149.112 234.518 85.406 0.558

• Khơng cĩ tấm chặn

N

Khơng cĩ chất lỏng (Empty)

Cĩ chất lỏng

200 701.327 217.900 0.601 201.000 0.995 117.862 179.996 62.133 25.998

401 1406.231 218.694 0.658 202.700 1.017 129.511 185.531 56.021 2.908

599 2100.615 218.397 0.709 201.800 1.038 139.359 188.522 49.162 0.766

701 2458.327 218.495 0.729 201.400 1.098 143.355 199.023 55.669 0.541

800 2805.519 218.000 0.760 209.500 1.172 149.112 220.981 71.869 0.470

Giản đồ chuẩn số cơng suất khuấy trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CP2

(cĩ cánh chặn và khơng cĩ cánh chặn)

3 BÀN LUẬN:

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

- 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)

• Người ta thường tránh khả năng tạo xoáy phễu bằng các phương án sau:

+ Đặt lệnh tâm cánh khuấy vào bể ( thùng) khuấy: đặt nghiêng hay đặt 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