Bài giảng các quá trình và thiết bị môi trường 1

Các bầu này có nhiệm vụ điều hoà lượng chất lỏng đi trong đường ống hút và đường ống đẩy  Đối với chất lỏng gây cháy nổ thì không dùng... Bơm vi sai được ứng dụng để bơm nhiên liệu Để c

BÀI GIẢNG CÁC QUÁ TRÌNH

VÀ THIẾT BỊ MÔI TRƯỜNG 1

GV: Hoàng Ngọc Anh

Bộ môn CNKT Môi Trường-Viện CNSH&MT

VẤN ĐỀ 1 Vận chuyển chất lỏng và

nén khí

I BƠM

1.1.Khái niệm: Bơm là thiết bị chính cung cấp nănglượng cho chất lỏng để:

Tạo lưu lượng chảy trong thiết bị

Nâng chất lỏng lên độ cao

•Dựa vào chất lỏng cần vận chuyển: Bơm các loại

dung dịch hoá học, xút, phèn, clo, axit, xăng…

•Dựa vào số lần tác dụng: bơm tác dụng đơn, bơm

2.2 Cấu tạo, nguyên lý làm việc của bơm piston:

a Bơm tác dụng đơn:

Gọi F là tiết diện piston.

Khi piston di chuyển từ T đến P: thể tích xi lanh tăng, áp suất giảm Lượng chất lỏng đựơc hút vào là F*S (m 3 ) Lúc này (3) mở,

(4)đóng Khi piston di chuyển từ P đến T: thể tích xilanh giảm, áp suất tăng Lượng chất lỏng đựơc đẩy lên (6) là F*S (m3) Lúc này (4)

4

6

5

1.Bầu khí hút 2.Phin lọc hút 3.Clape hút 4.Clape đẩy 5.Van chặn đẩy 6.Bầu khí đẩy

 Năng suất của bơm: Q = 60*F*S*n ,( m 3 /h)

 Do piston chuyển động không đều Sau một vòng quay, chất lỏng chỉ đẩy đi có 1 lần Lượng chất lỏng cung cấp vào đương ống đẩy không được liên tục và đều đặn.

 Để hạn chế nhược điểm trên, người ta lắp các bầu khí trước và sau bơm Các bầu này có nhiệm vụ điều hoà lượng chất lỏng đi trong đường ống hút và đường ống đẩy

 Đối với chất lỏng gây cháy nổ thì không dùng

b)Bơm vi sai: 

Khi piston chuyển động từ T sang P :

 Xy lanh A : VXL A tăng, áp suất giảm Lượng chất lỏng đựơc hút vào xy lanh

A là F*S (m3) Lúc này (1) mở, (2) đóng

 Xy lanh B : VXLB giảm, áp suất tăng Chất lỏng được đẩy vào đường ống đẩy một lượng: ( F – f)*S (m 3 )

 F và f là tiết diện của piston và cán piston.Khi piston chuyển động từ P sang T :

 Xy lanh A: (1) đóng, (2) mở, chất lỏng được đẩy đi một lượng F*S (m 3 )

 Lượng chất lỏng được nạp vào xy lanh

 Sau 1 vòng quay, lượng chất lỏng được đẩy đi:

(F- f)*S + f*S = F*S, ( m3/vòng)

 Năng suất của bơm:

Q = 60*F*S *n ,(m 3 /h)

Nhận xét:

Năng suất của bơm vi sai và bơm piston bằng nhau Bơm vi sai có ưu điểm là sau một vòng quay của bơm, chất lỏng được đẩy đi 2 lần Do đó,lượng lỏng đưa vào ống đẩy đều đặn hơn so với bơm piston đơn.

Bơm vi sai được ứng dụng để bơm nhiên liệu

Để cho chất lỏng cung cấp vào đường ống đẩy khi bơm dịch chuyển từ trái qua phải bằng với lượng chất

lỏng khi bơm đi từ phải qua trái, thì:

 Gọi F và f là tiết diện của piston và cán piston

 Khi piston di chuyển từ T qua P:

 Xy lanh A: (1) mở ,(2) đóng Chất lỏng đựơc nạp vào xy lanh

A một lượng là F*S , (m 3 )

 Xy lanh B : (3) đóng, (4) mở Chất lỏng được đẩy đi một

lượng : (F- f)*S

 Khi piston di chuyển từ P qua T:

 Xy lanh A: (1) đóng, (2) mở Chất lỏng được xy lanh A đẩy đi

C Một số bơm thể tích khác

• Bơm cánh trượt

* Bơm bánh răng

• Dựa vào chất lỏng cần vận chuyển

• Dựa vào áp suất mà bơm tạo ra:

- áp suất thấp < 20m cột nước

- áp suất trung bình từ 20m đến 60m cột nước

- áp suất cao > 60m cột nước

• Dựa vào cách bố trí sắp xếp của trục bơm: bơm có

trục nằm ngang hoặc thẳng đứng

b) Cấu tạo

1: guồng 2: vỏ bơm 3: ống hút 4: ống đẩy 5: lưới lọc

c) Nguyên lý làm việc

Khi cánh guồng quay với vận tốc lớn, dưới tác dụng của lực ly tâm, chất lỏng theo đường ống hút vào tâm guồng theo phương thẳng góc vào rãnh guồng và chuyển động với guồng Dưới tác dụng của lực ly tâm,

áp suất chất lỏng tăng lên văng ra khỏi guồng và vào ống đẩy Khi đó tâm bánh guồng có áp suất thấp chất lỏng dâng lên trong ống hút của bơm.

Do đó khi guồng quay thì chất lỏng được hút và đẩy đi liên tục

2 Sơ đồ lắp đặt và nguyên lý làm việc của bơm ly tâm

-Trước khi khởi động bơm cần mồi chất lỏng cho bơm:

Van một chiều (3) trên đường ống đẩy tự động đóng lại khi bơm dừng hoạt động để chất lỏng trên đường ống đẩy không đột ngột dồn về bơm gây ra hiện tượng va đập thuỷ lực làm hỏng bơm.

Với một số bơm công suất nhỏ người ta có thể bỏ bớt một số thiết bị như:

• Van chặn hút

• Van mồi chất lỏng

• Đồng hồ đo áp suất hút và áp suất đẩy

• Van chặn đẩy và van một chiều

•Các dạng cánh guồng:

-Cánh guồng cong về phía trước

-Cánh guồng cong về phía sau

- Cánh guồng hướng kính

•Theo lý thuyết thì cánh guồng cong về phía trướctạo áp suất lớn nhất, cánh guồng cong về phía sautạo áp suất bé nhất Trên thực tế thì ngược lại Do

đó trong thực tế người ta thường dùng cánh guồngcong về phía sau

3 Công suất và hiệu suất của bơm

a) Công suất hữu ích của bơm

NH= (kW) •Q: năng suất thực tế bơm tạo ra (m3/s)

•: khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m 3 )

•H: chiều cao áp suất thực tế mà bơm tạo ra (m)

• = áp suất thực

tế mà bơm tạo ra(N/m2)

b) Công suất trục bơm

V

H g

Gỉa sử chất lỏng có P =PS Để bơm làm việc được thì P1 >

PS ( chất lỏng tại cửa hút mới không bị hoá hơi

b) Hiện tượng xâm thực

• Nếu tại vị trí nào đó trên đường ống hút mà áp suất chất lỏng nhỏ hơn áp suất bão hoà PS , tương ứng với nhiệt độ đã cho (thường xảy ra tại cửa hút của bơm, vì tại đó, áp suất chất lỏng bé nhất) Khi đó chất lỏng sẽ

bị hoá hơi Một phần ngưng tụ lại, đồng thời tạo áp suất lớn và dồn về bơm, gây ra va đâp thuỷ lực Bơm

sẽ bị hỏng hoặc giảm tuổi thọ

• Biện pháp tránh hiện tượng xâm thực: tăng áp suất chất lỏng ở cửa hút bằng cách giảm chiều cao hút của bơm.

5) Xây dựng đường đặc tuyến bơm, đặc tuyến mạng ống và điểm làm việc của bơm

a) Xây dựng đường đặc tuyến bơm

*

1 2





g

W W

*

1 2

2

2 2



P1 =Pa – PCK = Pa – Ph

P =P + P

Q f

Q

*

1 2

2

2 2

2

2 

Khi điều chỉnh van chặn đẩy  Q thay đổi, PH, PĐthay đổi Đường đặc tuyến của bơm là đường parabol

b) Đường đặc tuyến mạng ống

Biểu diễn mối quan hệ giữa lưu lượng của chất lỏng chuyển động trong đó và áp suất cần thiết.

d) Điểm làm việc của bơm

Là giao điểm của đường đặc tuyến mạng ống và đường đặc tuyến của bơm

e) Định luật tỉ lệ

Khi thay đổi số vòng quay của bơm thì năng suất Q và

áp suất H cũng thay đổi theo tỉ lệ sau:

N

6) Bơm ghép nối tiếp và song song

a) Bơm ghép nối tiếp

b) Bơm ghép song song

Mục đích: cần vận chuyển chất lỏng đi xa hoặc lên cao

mà áp suất một bơm tạo ra không đủ, vì vậy cần ghép nối tiếp 2 hoặc nhiều bơm với nhau.

Mục đích: cần tăng năng suất bơm mà một bơm không đáp ứng được.

Trong thực tế người ta ghép tối đa 3 bơm song song.

7) So sánh bơm ly tâm và bơm piston

a) Ưu điểm của bơm ly tâm so với bơm piston

 Bơm ly tâm cung cấp chất lỏng một cách liên tục và đều đặn

 Bơm li tâm cấu tạo đơn giản hơn, dễ vận hành, năng suất lớn

 Trục bơm làm việc với số vòng quay lớn: 10003600vòng/phút

 Ít sự cố hơn so với bơm piston

 Có thể bơm được chất lỏng có độ nhớt cao hơn bơm piston

 Phân loại theo áp suất

 Phân loại theo năng suất

 Phân loại theo hệ số quay nhanh ns

 Phân loại theo mục đích sử dụng

Quạt dùng để vận chuyển lưu chất ở thể khí với ápsuất thấp Áp suất do quạt tạo ra không lớn hơn 1500mmH2O

1 QUẠT LY TÂM

1.1 Phân loại

Cấu tạo quạt ly tâm cơ bản giống bơm ly tâm, khácnhau là số cánh quạt rất nhiều so với cánh trên rôtocủa bơm

1.2 Cấu tạo



v p

p p

2

h h

đ đt

v p

p

p: áp suất do quạt gió tạo nên, pa

P1 : áp suất khí tại của hút của quạt, pa

P2: áp suất tại cửa đẩy của quạt, pa

ph ,pđ : tổn thất áp suất trên đường ống hút và ống

1.4 Công suất của quạt gió

Q: năng suất của quạt gió, m 3 /s

áp suất do quạt gió tạo nên, pa

p



• Đường đặc tính tổng hợp của một loại quạt ly tâm

• Đường đặc tính không thứ nguyên

PHẦN II: MÁY NÉN

• Theo lý thuyết của quá trình nhiệt động học, quá trình nén hoặc hút khí có thể tiến hành theo:

2 1

1 ln

P

P V

P

l 

Quá trình đẳng nhiệt: Nhiệt độ được giữ không đổi trong suốt quá trình nén hoặc hút khí, nhờ có sự trao đổi nhiệt với bên ngoài (quá trình nén diễn ra rất chậm)

(J/kg)

p

p T

T

P

P T

R k

k P

P V

P k

k l

/ 1

1

2 1

2

1

1

2 1

1 1

1

2 1

1

1 1

• Quá trình đa biến: trong quá trình nén thì khí nén vừa tăng nhiệt độ vừa toả nhiệt ra ngoài môi trường (thực tế)

1

1

2 1

1

n n

p

p V

p n

n l

2 PHÂN LOẠI MÁY NÉN

- Dựa vào số cấp người ta phân ra máy nén một cấp hay máy nén nhiều cấp

- Dựa vào môi chất khí cần nén người ta phân ra: máy nén NH3, freon…

- Dựa vào số xylanh có: Máy một xylanh hay nhiều xylanh

- Dựa vào cách sắp xếp bố trí xylanh:

+Máy có xylanh nằm ngang + Máy có xylanh thẳng đứng + Máy có xylanh chữ V, W.

- Dựa vào sự chuyển động của môi chất qua piston- xylanh:

+ Máy nén thẳng dòng (máy nén xuôi chiều)

+ Máy nén xoay dòng (máy nén ngược chiều)

- Dựa vào công suất:

Máy nén công suất thấp, công suất vừa, công suất cao

- Dựa vào cách làm mát cho cuộn dây stato của máy nén người ta phân ra: + Máy nén kín

+ Máy nén bán kín + Máy nén hở.

1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

CỦA MÁY NÉN PISTON MỘT CẤP

1 – Clapê hút

2 – Clapê đẩy

- Xéc măng hơi: hay còn gọi là bạc hơi để làm tăng

độ kín giữa pistong và xylanh và hạn chế dầu bôi trơn trong khí nén

Thường đường kính pistông lớn hơn 50 mm người ta lắp từ 2 đến 3 xéc măng hơi, còn nếu

đường kính pistông nhỏ hơn 50 mm thì người ta

không lắp xéc măng hơi

- Xéc măng dầu: Để bôi trơn đều cho pistông và

xylanh, làm mát bề mặt pistông và xylanh và hạn chế dầu bôi trơn trong khí nén

A) Quá trình làm việc lý thuyết

a1: quá trình nhận khí của xi lanh

12: quá trình nén khí của xi lanh( đến khi bằng P2 thì clape 2 mở.

2b: quá trình đẩy khí ra khỏi xilanh

3 QUÁ TRÌNH NÉN LÝ THUYẾT VÀ THỰC TẾ

47

B) Quá trình làm việc thực tế của máy nén

1 Ảnh hưởng của không gian chết:

2 Ảnh hưởng của các yếu tố khác

3) Máy nén nhiều cấp

a) Cấu tạo

-Xilanh áp suất thấp và xilanh áp suất cao

-Hệ thống làm mát trung gian

-Để tránh gây trở lực cho nhau, đồng thời tăng năng suất hút thì chế tạo sao cho tỷ số nén NM cấp 1 bằng tỷ số nén của NM cấp 2

b) Nguyên tắc làm việc

- Khí đươc hút vào xilanh áp suất thấp I với thông số trạng thái ban đầu (T1,P1) và được nén lên áp suất P2 và nhiệt độ tăng lên T2

- Khi ra khỏi xilanh I, được làm mát trong bìnhlàm mát trung gian B, nhiệt độ không khí giảm

từ T2 xuống T1 Sau khí ra khỏi bình làm mát

B khí được hút vào xilanh làm mát II và đượcnén lên áp suất P3 = P2 lên P4

34 : quá trình nén khí trong xilanh II

từ P3 lên P4

4b : quá trình đẩy khí nén vào bình chứa

Nhờ quá trình làm mát trung gian nên khí vào

xilanh II giảm đi một lượng là ∆V = V2 –V3 do

đó công tiêu hao giảm đi một lượng bằng diện tích

234 4’ so với máy nén 1 cấp

Trong trường hợp tổng quát coi quá trình nén là

đa biến và số mũ đa biến ở các cấp là như nhau:

 Tính áp suất trung gian

Nhiệt độ khí vào các cấp đều bằng nhau, nhiệt độ khí ra các cấp bằng nhau: T1 = T3 ; T2 = T4

Áp suất ra khỏi cấp nén trước bằng áp suất vào cấp nén sau : P2 = P3

P P

P P

P

1

4 3

4 1

Công tiêu hao của máy nén

Công của máy nén bằng tổng công của các cấp,với 2 cấp ta có

1

1

2 1

01

n n

P

P T

1

3

4 3

02

n n

P

P T

n n

P

P P

P

3

4 1

 Năng suất thể tích máy nén

G: lưu lượng khối lượng khí được hút, kg/s

L: công lý thuyết tính theo 1 kg khí, J/kg



V

G  t

Vt: năng suất thể tích của máy nén,

: khối lượng riêng của khí nén kg/m3

(kW)

(m3/h)

1

(kg/h)

4) Một số loại máy nén khác

Máy nén và thổi khí kiểu rôto

Máy nén và máy thổi khí kiểu tuabin

thườngBài 2: dùng MN piston 1 cấp để nén thể tích460m3/h khí NH3 ở (00C và 760mmHg) từ áp suất2,5at lên 12at, biết nhiệt độ hút ban đầu là -100 C,hiệu suất nén 70%, làm việc theo chu trình đoạnnhiệt biết chỉ số đoạn nhiệt là 1,29 Tính các thông

số của máy nén

Phân riêng hệ không đồng nhất

(phân riêng bằng cơ học)

Phân riêng hệ khí không đồng nhất

Phân riêng hệ lỏng không đồng nhất

• Đặc trưng của hệ không đồng nhất

A) PHÂN RIÊNG HỆ KHÍ KHÔNG ĐỒNG NHẤT

Dựa vào sự hình thành mà hệ khí không đồng nhất được chia thành hệ cơ học và hệ ngưng tụ:

• Hệ cơ học: được hình thành do quá trình nghiền nhỏ hạt rắn, hoặc các bụi chất lỏng phân tán trong môi trường khí Kích thước của bụi dao động trong khoảng

5 đến 50μm.

• Hệ ngưng tụ: hình thành do quá trình ngưng tụ củacác khí hơi hoặc do phản ứng hoá học của hai khí tạo thành những phân tử khí hoặc hơi ở dạng rắn (khói) hoặc lỏng (sương mù) Kích thước của hệ ngưng tụ khoảng 0,3 đến 0,001μm

Bảng 1: Kích thước hạt trong hệ khí không đồng nhất

Theo định luật

Stokes 0,1

0,2

0,4

1 2 4 10

5,1.10 -2

3,06.10 -1

1,2 4,8 24,6 157 382

8,7.10 -5

2,27.10 -4

6,85.10 -4

3,49.10 -3 1,19.10 -2

5.10 -2

3,06.10 -1

1,2 5 25 483 3050

Trong ngành công nghiệp nhiều nguyên nhân gây ra

hệ khí không đồng nhất

Trong thực tế thường dùng các phương pháp sau

để tách các hạt rắn ra khỏi môi trường không khí:

Trong đó g: gia tốc trọng trường, (m/s2)

τ: thời gian rơi (s)

• Vận tốc lắng: khi vật thể có kích thước nhỏ

(<100μm) trở lực môi trường tăng cho đến khi vật thể có vận tốc rơi không đổi (cân bằng giữa trọng lực và trở lực) Vận tốc rơi đạt được vận tốc lắng ω0(m/s)

• Trở lực của môi trường: xác định theo định luật Newton

• Với hạt hình cầu thì

F: tiết diện của hạt theo hướng chuyển động, m 2

d: đường kính hạt, m

ρ1: khối lượng riêng của hạt cầu, kg/m 3

ρ2: khối lượng riêng của môi trường, kg/m 3

Vận tốc lắng được xác định với điều kiện S = Ks

Hệ số trở lực là hàm số của Reynolds phụ thuộc vào vận tốc chuyển động, kích thước của hạt,

• Re ≤ 0,2 có ξ =

Re 24

• 0,2 < Re < 500 có ξ =

Re

5 , 18

• 500 < Re < 15 104 có ξ = 0,44

Theo Stockes thì trở lực môi trường tỷ lệ thuận với vận tốc lắng của các hạt có kích thước bé, mà điều kiện Re ≤0,2 Kích thước lớn nhất của hạt theo Stockes ở Re =0,2

• Chuẩn số Archimedes không chứa vận tốc lắng,

mà chỉ phụ thuộc vào tính chất vật lý của hạt bụi

và môi trường

• Từ quan hệ này tính được giá trị giới hạn:

Re ≤ 0,2 (chế độ chảy dòng) tuân theo định luậtStockes, ξ= 24/Re

• Trong khoảng 0,2< Re < 500; Arth ≈ 84000

• Trong khoảng 500< Re< 15.104 thì Arth > 84000

Tính vận tốc lắng theo các bước sau:

1.2 Buồng lắng bụi

H: chiều cao buồng lắng, m

b: chiều rộng buồng lắng, m

l: chiều dài buồng lắng, m

F o : diện tích mặt đáy buồng lắng, m 2

 Áp dụng với hạt bụi có kích thước lớn, dòng khí chuyển

động với vận tốc nhỏ (< 1 ÷ 2 m/s)

• Thời gian lưu:

Vận tốc tối đa cho phép của dòng khí đi trong

các buồng lắng bụi

1.3 Thiết bị lắng

1.3.1 Lắng bằng lực trọng trường

đáy phòng lắng

buồng lắng được áp dụng để lắng các hạt bụi thô có kích thước (60 – 70)m

• Ưu điểm: cấu tạo thiết bị đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt, dễ vận hành và bảo dưỡng.

• Nhược điểm:

- Chiếm nhiều diện tích không gian, năng suất

nhỏ, thời gian lắng tương đối dài Chỉ áp dụng cho quy mô sản nhỏ

Vận tốc tối đa của dòng khí trong buồng lắng

Các kiểu buồng lắng bụi khác nhau

Buồng lắng bụi kiểu chữ U

• Nguyên lý làm việc: làm thay đổi chiều hướng

chuyển động của dòng khí một cách liên tục và

lặp đi lặp lại nhiều lần bằng nhiều liệu vật cản có hình dáng khác nhau Khi dòng khí đổi hướng

chuyển động do bụi có sức quán tính lớn sẽ giữ nguyên chiều chuyển động ban đầu của mình và

va đập vào các vật cản rồi bị giữ lại ở đó hoặc mất động năng rơi xuống đáy thiết bị

1.3.2 Lắng bằng lực quán tính

* Thiết bị lắng bụi kiểu là sách

• Cấu tạo thiết bị: sử dụng các tấm chắn đặt

song song với nhau và chéo góc với hướng

chuyển động ban đầu của dòng khí

• Ưu điểm của thiết bị:

- Tổn thất áp suất nhỏ

- Năng suất và hiệu suất tương đối cao

• Nhược điểm: không thể phân riêng hệ khí

không đồng nhất có độ ẩm cao và có tính bám dính

• Câu 10: Cần có chiều cao giữa các ngăn của

phòng lắng là bao nhiêu để cho các hạt bụi có

đường kính d = 8 μm đọng lại được, cho biết lưu lượng khí lò là 0,6m3/s Chiều dài của phòng là

4,1m; chiều rộng là 2,8m; chiều cao chung là

4,2m Nhiệt độ trung bình khí trong phòng

4270C Độ nhớt của không khí tương ứng với

nhiệt độ là 0,034cP, khối lượng riêng của bụi là

4000kg/m3, khối lượng riêng của khí là

0,5kg/m3 Biết vận tốc lắng thực tế bằng 50% vận tốc lắng lý thuyết (20 phút, 3 điểm)