Chuong 6 co luu chat

Năng lượng cung cấp cho bơm hoạt động được lấy từ các nguồn động lực khác nhau Các chú ý khi chọn và sử dụng bơm: - Bơm hoạt động bình thường, ít xảy ra hư hỏng - Dễ điều chỉnh các thông

66

PHẦN 2: PHẦN ỨNG DỤNG

CHƯƠNG 6 MÁY BƠM

Máy bơm được ứng dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân Bơm là thiết bị chính cung cấp năng lượng cho dòng chảy nhằm thắng tất cả trở lực trên đường đi hoặc nâng chất lỏng lên một độ cao nào đó Năng lượng cung cấp cho bơm hoạt động được lấy từ các nguồn động lực khác nhau

Các chú ý khi chọn và sử dụng bơm:

- Bơm hoạt động bình thường, ít xảy ra hư hỏng

- Dễ điều chỉnh các thông số kỹ thuật, như áp suất, lưu lượng

- Dễ thay thế phụ tùng khi cần thiết

- Giá cả chấp nhận được

Ngoài ra phải xét tới các lý tính và hóa tính của lưu chất tại nơi đặt bơm nữa

Theo nguyên lý hoạt động bơm chia làm hai nhóm chính sau đây:

• Bơm thể tích: Sự hút vào và đNy chất lỏng ra khỏi bơm nhờ sự thay đổi thể tích của không gian làm việc trong bơm, mà sự thay đổi thể tích đó là do sự chuyển động tịnh tiến của piston trong bơm piston hoặc chuyển động quay trong bơm rotor Bơm thể tích gồm có: bơm piston, bơm rotor, bơm cánh trượt v.v…

• Bơm động lực: Sự hút vào và đNy chất lỏng ra khỏi bơm nhờ chuyển động quay của roto trong thân bơm, khi đó động năng của cánh trên roto sẽ truyền vào chất lỏng để tạo năng lượng cho dòng chảy Gọi tắt là lực ly tâm hoặc lực đNy của cánh Bơm động lực gồm có: bơm ly tâm, bơm hướng tâm, bơm turbin

Ngoài hai loại chính trên, ta còn thấy loại bơm khí động khác như bơm ejector, bơm thùng nén v.v… tuy nhiên các loại này rất ít sử dụng trong công nghiệp, do đó phạm vi giáo trình này không giới thiệu

1.2 Các thông số chính của bơm

• Lưu lượng, ký hiệu Q;

s

m3

67

Là thể tích của chất lỏng cung cấp lên đường ống đNy trong một đơn vị thời gian

Chú ý: Nếu đơn vị lưu lượng là 

ℓ hoặc 

m3thì phải chuyển về hệ SI là 

m3

• Áp suất toàn phần còn gọi là cột áp – ký hiệu H; mcl

h g

2

v P z H

2

∑

+

∆ + γ

∆ +

∆ P P2 P1

; mcl

g 2

v v g 2

vd

PPZ

2 2 h

h ck

−γ

bh

g2

vd

−γ

• Công suất của bơm – Ký hiệu N; kW

H: áp suất toàn phần của bơm; m

η: hiệu suất – (0,8 ÷ 0,9)

• Hệ số quay nhanh – Ký hiệu ns;v/phút

75 , 0 s

H

Q n 65 , 3

Dựa vào hệ số quay nhanh ta có thể chọn bơm như sau

- Bơm piston và bơm rotor ns = 50; v/phút

- Bơm ly tâm ns = (50 ÷ 500); v/phút

- Bơm hướng tâm ns = (500 ÷1200); v/phút

Đặc điểm chung:

- Lưu lượng cung cấp không đều

- Bơm được lưu chất có độ nhớt cao hoặc rất cao

- Làm việc áp suất cao, lưu lượng nhỏ

- Dễ hư hỏng, sự cố

2.1.1 Phân loại bơm piston

Có các cách phân loại như sau:

- Theo cơ cấu truyền động: dùng động cơ, máy phát điện

- Theo số lượng cấp: một cấp, hai cấp, nhiều cấp

- Theo số lần tác động: Tác động đơn, tác động kép, đa tác động

- Theo vị trí piston: piston nằm ngang, thẳng đứng

- Theo áp suất làm việc: áp suất thấp (P < 10 at), áp suất trung bình (P =10 ÷ 20at), áp suất cao (P > 10at)

- Theo năng suất: năng suất nhỏ (Q <15m3/h), năng suất trung bình Q = (15 ÷ 60) m3/h, năng suất lớn Q > 60 m3/h

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

69

Nguyên lý làm việc: giả sử Piston 4 chuyển động về phía phải thì áp suất trong xilanh 3 nhỏ hơn dần, đến một điểm nào đó áp suất của xilanh 3 nhỏ hơn áp suất khí quyển Pkq khiến cho Clape 8 mở còn Clape 5 đóng lại, chất lỏng được hút vào trong lòng xilanh 3

Khi piston 4 chuyển động ngược chiều trở lại theo chiều biến thiên góc ϕ thì áp suất trong xilanh 3 tăng dần, đến khi áp suất đó đủ lớn thì Clape 8 đóng lại và Clape 5 mở ra, chất lỏng đưa lên đường ống đNy 7

2.1.3 Tính lưu lượng (năng suất)

Nếu ta gọi:

D: Đường kính của xilanh; m

S = 2r : khoảng chạy của piston; m

n: số vòng quay của cơ cấu truyền động; v/phút

i: Số lần tác động

ψ: thừa số kể sự ảnh hưởng của thanh truyền chiếm chỗ trong lòng xilanh, với bơm có số lần tác động lẻ ψ = 1, còn tác động chẵn

A2

'AA

70

Công thức tính là: Q = π i ψ η

60

n r 2 4

D2

; s

m3

Dưới đây là nguyên lý làm việc của máy bơm hai tác động (Hình 6 3)

2.1.4 Quy luật chuyển động của piston trong xilanh

Vận tốc trung bình của piston chuyển động trong xilanh là

ϕ ϖ

Vậy độ sai biệt lưu lượng phụ thuộc vào loại bơm như sau:

Qua đó, thấy rằng bơm càng nhiều tác động thì lưu lượng sai biệt không đáng kể

2.1.5 Đồ thị cung cấp lưu lượng

Từ phương trình (6 – 7) cho ta đồ thị cung cấp lưu lượng theo quy luật hình sin Các hình (Hình 6.4a); (Hình 6.4b); (Hình 6.4c) biểu thị của bơm một tác động, hai tác động và nhiều tác động

71

Hiện tượng mà lưu lượng chỗ có chỗ không gọi là mạch nhảy

- Với bơm một tác động có mạch nhảy lớn

- Với bơm hai tác động mạch nhảy được làm kín hơn

- Với bơm nhiều tác động (ở đây là ba tác động) hiện tượng mạch nhảy càng nhỏ; càng được làm kín Tức là m → 1

Vậy khi mạch nhảy càng kín thì sự cố của bơm càng giảm

2.1.6 Tác dụng của bầu khí

Ở hình (H6.2) ta thấy có hai bầu khí là 9 và 6 Do có hiện tượng mạch nhảy như đã nói

ở trên nên lưu lượng của bơm cung cấp không đều, dễ sinh ra lực quán tính Lực này làm tăng ma sát, khiến cho năng lượng vận chuyển của dòng yếu đi

Vậy để khắc phục lực quán tính đó, trên bơm piston người ta thường gắn thêm hai bầu khí, nhờ các bầu khí này mà lưu lượng của dòng chảy được điều hòa hơn

2.1.7 Chiều cao hút của bơm piston

−γ

g2

vd

PZ

2 h

h bh

2.1.8 Đường đặc tính của bơm piston

Về mặt lý thuyết thì ứng với mỗi lưu lượng, sẽ cho một giá trị áp suất vô cùng lớn (Hình 6.5) Nhưng trong thực tế do nhiều hao hụt, nên khi áp suất càng cao thì lưu lượng tiến tới không

Pi: áp suất chỉ thị;

2

m N

Qi: năng suất chỉ thị;

s

m3

2.1.10 Các phụ kiện kèm theo hệ thống máy bơm

- Crêpin: Vừa đóng vai trò như van một chiều gắn cuối đường ống hút, vừa đóng vai trò như lưới chắn rác tránh lọt vào đường ống

- Van một chiều: Gắn trên đường ống đNy giúp bơm khởi động dễ hơn

- Áp kế: Nên gắn đầy đủ trên ống hút và ống đNy để kiểm soát tính ổn định của bơm

- Van xả gió: Giúp hệ thống tránh va đập thủy lực

6 6)

n b

Áp suất tối đa khi bơm làm việc đạt 25at, lưu lượng tối đa 60 m3/h

Ứng dụng bơm bánh răng để bơm lưu chất có độ nhớt tối đa 50 stock

2.2.2 Bơm trục vít

Bơm trục vít là một loại bơm thể tích, ứng dụng nhiều trong công nghiệp Bơm có một, hai, ba hay nhiều trục vít Khi trục chủ động 3 quay thì khe trục có vai trò như xilanh, hai trục bị động 4 đóng vai trò làm kín mà thôi Bơm trục vít bơm được các loại lưu chất có độ nhớt cao khoảng 50 ÷ 100 Stock và áp suất rất cao

Khi bước vít: t =

3

d 5thì Q = 124,4.10-6.n.d3.η; m3/h (6 – 11b) Trong đó n - số vòng quay trục chủ động; v/phút

3.1.1 Phân loại

Như các loại bơm khác, bơm ly tâm cũng được phân loại theo nhiều cách khác nhau

- Phân loại theo áp suất gồm có: áp suất thấp, áp suất trung bình và áp suất cao

- Phân loại theo số cấp gồm có: một cấp, hai cấp dễ sử dụng, dễ điều chỉnh các thông

số kỹ thuật, trong quá trình làm việc không hư hỏng lặt vặt, có thể bơm lưu chất có độ nhớt khá cao, chi tiết rôto rất ít hao mòn do lực ma sát cơ học không đáng kể, đặc biệt không cần nhập ngoại và giá thành chấp nhận được., nhiều cấp

- Phân loại theo phương thức chuyển chất lỏng vào bơm gồm có: cánh hướng dòng, không cánh hướng dòng

- Phân loại theo hệ số quay nhanh ns

• ns = (40 ÷ 80) v/phút → bơm quay chậm

• ns = (80 ÷ 150) v/phút → bơm quay vừa

• ns = (150 ÷ 500) v/phút → bơm quay nhanh

• ns = (500 ÷ 1200) v/phút → bơm hướng trục

3.1.2 Cấu tạo và nguyên lý

Cấu tạo: rôto 2 gồm có đĩa (b), trên đĩa gắn cánh (a), số lượng cánh gồm 2, 4 tối đa 20 cánh (H6 8a), vỏ 3 có hình xoắn ốc, nhờ vậy mà dòng lưu chất khi qua bơm ít ma sát, ít tổn thất áp suất Hình (H 6.8) mô tả cấu tạo bơm ly tâm một cấp

75

Nguyên lý hoạt động: Khi rôto 2 quay, dưới tác dụng lực ly tâm, áp suất ở tâm bơm là nhỏ nhất, do tính liên tục và tính chảy của lưu chất mà chúng dâng lên tâm rôto, nhận thêm năng lượng do lực ly tâm cung cấp rồi theo cánh chuyển động ra mép ngoài của rôto lên đường ống đNy 1

3.1.3 Phương trình cơ bản của bơm ly tâm

Ký hiệu: Điểm (1) – Lưu chất vào rôto, bán kính r1; m

Điểm (2) – Lưu chất ra khỏi rôto, bán kính r2; m U: vận tốc vòng của lưu chất cùng với rôto; m/s W: vận tốc tương đối của lưu chất từ điểm (1) ra điểm (2) C: vận tốc tuyệt đối của lưu chất đi qua rôto;

→

→

→

U+W

2 2

b

2 2

2 1

a

2 1

2 2

C-C+g

W-W+g

U-U

(b) Là sự thay đổi áp suất do sự thay đổi áp suất khi đi qua rôto

(c) Sự biến thiên động năng của dòng lưu chất từ điểm (1) ra điểm (2)

Mặt khác:

2 2

2

2 2

2 2

2 2

1 1 1

2 1

2 1

2 1

cosCU2CUW

cosCU2CUW

α

−+

=

α

−+

CU

Hlt = 2 2 α2− 1 1 α1

Phương trình (6 -14) gọi là phương trình cơ bản của bơm ly tâm do Euler tìm ra, nó được dùng để tính bơm ly tâm, bơm hướng tâm, quạt ly tâm và hướng tâm, bơm turbin, máy nén turbin

Để tránh sự va đập làm hư bơm, cho α1 = 900, do vậy

g

cosCU

Hlt = 2 2 α2

Từ đây ta xét ảnh hưởng độ cong của cánh lên áp suất bơm

Gọi C2U là hình chiếu vận tốc tuyệt đối C lên vận tốc vòng u

C2U = C2cosα2 = U2 – Cr2.cotanβ2 (6 - 16) Thế vào (6 – 15)

g

ancot.CUg

U

2 2 lt

β

−

- Nếu β2 > 900 thì cotan β2 < 0 ⇒ Hlt > 0: cánh cong phía trước (H 6 8d)

- Nếu β2 < 90o thì cotan β2 > 0 ⇒ Hlt < 0: cánh cong phía sau (H 6 8b)

77

- Nếu β2 = 90o thì cotan β2 = 0 ⇒ Hlt =

g2

U22: cánh thẳng (H 6 8e)

Nhận xét:

Với cánh cong về phía dưới β2 > 90o tạo ra áp suất lý tưởng, song dễ sinh ra va đập thuỷ lực làm hư bơm Trong thực tế chỉ vận hành theo cánh cong phía sau β2 < 90o hoặc cánh thẳng β2 = 90o mà thôi

3.1.4 Áp suất toàn phần thực

k g

cosCU

1z

21

1

ε = (0,8 ÷ 1,3) Hệ số thực nghiệm

z : hệ số cánh trên đĩa rôto

r1: bán kính trong của rôto; m

r2: bán kính ngoài của rôto; m

3.1.5 Tính năng suất (lưu lượng)

Năng suất bơm ly tâm xác định bằng công thức thực nghiệm:

Q = η.π.D.B.Cr ; m3

Trong đó: η = (70 ÷ 90)% :Hiệu suất

D: đường kính rôto (2r2); m B: bề rộng khe dẫn lưu chất; m

ϕ

π

=60

n.D

Cr ; vận tốc tuyệt đối; m/s

ϕ = (0,8 ÷ 0,95): hệ số dòng chảy

β

−

=α

=

2 2

r 2 2 u

1 1

r 1 1 1 u

ancotCUcos

2CC

ancotCUcos

CC

1 1rU

rU

r

1 1 1

r

B2

QC

BD

QC

Thế vào (6 – 14) sẽ có đường đặc tính sau (Hình 6 10)

79

Về mặt lý thuyết (Hình 6.10) quan hệ giữa (H – Q) là quan hệ bậc nhất, còn thực tế thì mối quan hệ này thuộc loại bậc 2, có dạng

3.1.7 Điểm làm việc của bơm

Hai đường cong (H – Q) và trở lực Σh cắt nhau tại điểm (A) hình (H6.11) Điểm (A)

đó gọi là điểm làm việc của bơm, có thể điều chỉnh điểm (A) này theo yêu cầu kỹ thuật Điểm A có toạ độ: [QA; HA; ηA]

3.1.8 Đường đặc tính tổng hợp

Khi chế tạo bơm hoặc (quạt, máy nén), người ta cho vận hành thử rồi từ đó xây dựng đường đặc tính thực, bố trí các đường đặc tính trên đồ thị chung, tạo thành đường đặc tính tổng hợp như hình (H 6.12) Mỗi hãng sản xuất ra mỗi loại bơm thì đều kèm theo một giản

đồ tổng hợp như vậy, và được giới thiệu trong catologue của hãng sản xuất ra nó

80

3.1.9 Đường đặc tính khi bơm gắn vào mạng ống

Ví dụ: có hệ thống bất kỳ như hình (H6.12a) Viết phương trình Bernoulli, chuyển vế ta được

B

→

A 2

const

= H

h

∑+g2

v+P+Z

2 1

2 1 2

2 1 2

1 2 1

N

Nn

n

H

Hn

nQ

Qnn

81

• Lưu lượng

3 Q

D.n

Q

• Áp suất

2 2 H

D.n

g.H

• Công suất

5 3 N

D.n

Nk

3.1.11 Bơm ghép nối tiếp và song song

Nếu cần lưu lượng lớn, thì ghép song song hai bơm hoặc nhiều bơm lại với nhau, đường đặc tính sẽ thay đổi, ứng dụng trường hợp này để tưới tiêu trong nông nghiệp hoặc nhập liệu vào các thiết bị cần lưu lượng lớn

Hình (H3.13a) là sơ đồ ghép song song hai bơm và hình (H6.13b) là đường đặc tính ghép, dễ nhận biết: QA > QA1; QA > QA2

Ngược lại, nếu cần tạo áp suất cao thì ghép nối tiếp chúng lại với nhau xem hình (H.6.14a) và (H6.14b)

82

Nhìn hình (H6.14b) dễ nhận biết: HA > HA2; HA > HA1

3.1.12 Hiện tượng xâm thực và cách khắc phục

Tại một nơi nào đó trong thân bơm làm việc, áp suất giảm đột ngột làm cho lưu chất bay hơi, tạo nên các túi (khí + hơi), các túi này chuyển động hỗn lọan nhưng có xu hướng tập trung ra phía vỏ bơm, tại đây trong điều kiện nào đó thì các túi (khí + hơi) ngưng tụ lại

và tạo nên các khoảng trống, lưu chất các nơi khác dồn về khoảng trống đó với động năng lớn dễ làm hư bơm Nếu lưu chất có tính ăn mòn kim lọai thì bơm càng dẽ bị hư hại Hiện tượng như vậy gọi là hiện tượng xâm thực

Để khắc phục hiện tượng xâm thực đó, ta tiến hành như sau:

- Tăng áp suất hút lên, bằng cách hạ tâm bơm xuống gần hoặc thấp hơn mặt thóang

- Ống hút phải kín tuyệt đối tránh bọt không khí vào

- Kiểm định lại áp suất bão hòa tại nơi gắn bơm có phù hợp không

3.1.13 Chiều cao hút của bơm ly tâm: Z h ; m cl

−γ

g

v.d

PZ

2 bh

h

ℓ

; mcl (6.26)

- Sự xâm thực tìm bằng thực nghiệm; mcl

- Nếu sự xâm thực bỏ qua thì công thức (6 – 26) trở về công thức (6 – 3)

3.1.14 Bơm ly tâm nhiều cấp

Với bơm ly tâm một cấp như nói ở trên thì vận tốc vòng u2 đạt khoảng (40 ÷ 300) m/s, trong thực tế kỹ thuật nhiều khi u2 cần đạt hoặc lớn hơn 500 m/s, trường hợp này rất dễ xảy

ra xâm thực, do vậy phải chế tạo bơm nhiều cấp

Hình (H6.15a) biểu diễn sơ đồ chuyển động lưu chất qua bơm hai cấp, hình (H 6.15b)

biểu diễn cấu tạo bơm hai cấp

83

Bơm hướng trục là một loại bơm động lực, đặc điểm của nó là lưu lượng lớn, mà tạo áp

suất không cao, số vòng quay nhanh khoảng (600 ÷ 1200) v/phút, xem hình H6.16

Về nguyên lý là do lực tác động tương hỗ giữa rôto và dòng lưu chất mà xuất hiện lực

đNy dọc theo trục đểđưa lưu chất ra ngoài

Loại bơm này dùng trong các thiết bị cần bơm với lưu lượng lớn

CCg

uH

u

u u

Trong đó: Cr: vận tốc hướng tâm của lưu chất; m/s

D: đường kính ngoài của cánh; m

d: đường kính trong của cánh; m (hình H6.16a)

ϕ: hệ số dòng chảy

η: hiệu suất; % Kết luận: Khi sử dụng bất kỳ loại bơm nào, ta nên xét đến

phạm vi hoạt động của nó để tránh sự quá tải của bơm theo hình (H.6.17) sau đây:

Nhìn vào biểu đồ hình (H6.17) ta thấy:

- Bơm piston làm việc áp suất cao nhất, lưu lượng từ nhỏ đến trung bình

- Bơm hướng trục thì ngược lại, lưu lượng là vô cùng lớn nhưng có áp suất rất thấp

- Còn lại là bơm ly tâm có dãy năng suất rất rộng, đồng thời áp suất khá cao

Ngoài ra, bơm động lực còn một số loại bơm khác, vì không phổ biến nên không đề cập trong giáo trình này

m, α = 1

Bài giải:

Viết phương trình Bernoulli qua hai mặt cắt (1 -1) và (2 -2)

++γ+

=+γ

2

2 1 1

g

vPZg

vPZXét Z1 = 0; mặt chuNn

v1 = 0

γ1

P

= γ

kqP

;

γ2

P =

26,2.675,0

403,0161010g

vd

PPZ

2 2

h 2

−γ

−

075,0.14,3

10.10.4v

- Lưu chất là nước có ρ = 1000 kg/m3, bỏ qua trở lực qua bơm

Tính công suất của bơm và thời gian bơm đầy bể chứa V = 20 m3, biết hệ số chứa đầy

ϕ = 90%

2

2 1 1

g2

vPZHg2

vP

44.10.5.10.1000N

20.9,0Q

Vt

Bơm nước từ bể (A) lên bể (B) đều thông với khí trời với ∆Z = 8m Chiều dài đường

ống hút ℓh = 10m, đường kính ống hút dh = 100mm, chiều dài ống đNy ℓđ = 30m, đường kính

87

Viết phương trình Bernoulli qua hai mặt bể (A) và (B)

++γ+

=++

γ

B

2 A A

g

vPZHg

γ

ck

P

vA = vB = 0; ∑hA→B≠ 0

Thế số vào ta có:

88

2 2

2 4

2

2 4

2 2

4 2

2 4

2 2

Q535008

KQ8

Q2075,0

Q.166075,0

30.03,0201,0

Q.1661,0

1003,08

2075,0

Q.166075,0

30.03,0201,0

Q.1661,0

10.03,08H

,0.1000

12.10.9.10.1000N

3

• Dựa vào định luật tỷ lệ, công thức (6 -21) ta có:

1 1

1 1

2 2 2

1 2

1200

1080Q

.n

nQQ

Qn

Q 2 1

2

1

2 2

2 1 2

2

1200

1080H

.n

nH

H

Hn

Mang giá trị của bảng 2 dựng lên đồ thị tìm điểm làm việc

A 2 [7,3l/s; 10,3mH 2 O; 78%]

Vậy công thức ứng với n2 = 1080v/phút là

9634,078

,0.1000

3,10.10.3,7.10.1000N

3

Tính sai số: 49,5%

963,0

963,044,1

∆

Kết luận: Số vòng quay giảm 10% thì công suất giảm 49,5% không tuyến tính