Nghiên cứu thiết kế bơm trục vít cỡ nhỏ để bơm nước thải tại các cơ sở chế biến nông thuỷ sản

Luận văn, thạc sĩ, tiến sĩ, khóa luận, cao học, đề tài

1 Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học nông nghiệp I Lê văn dung Nghiên cứu thiết kế bơm trục vít cỡ nhỏ để bơm nớc thải tại các cơ sở chế biến nông thuỷ sản Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Kĩ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá Nông Lâm Nghiệp M số: 60.52.14 Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TS. Hoàng Đức LIên Hà Nội 2006 2 1. Mở ĐầU 1.1. Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế quốc dân, vấn đề bảo vệ môi trờng, đánh giá tác động của môi trờng cũng nh xử lý môi trờng . đã và đang đợc quan tâm đúng mức ở nớc ta. Với những u việt và đặc thù riêng, bơm trục vít đã đợc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và sử dụng đạt kết quả tốt ở nhiều nớc, đặc biệt là ở các nớc công nghiệp phát triển (G7). Những năm gần đây, đợc sự giúp đỡ của nhiều tổ chức quốc tế, Việt nam đã tiếp nhận một số loại máy bơm trục vít phục vụ cho thoát nớc thải thành phố (Nam Định) hoặc lắp cho các công trình xử lý chất thải rắn và lỏng của các xí nghiệp công nghiệp, các khu chế biến nông lâm thủy sản trên phạm vi cả nớc. Nhu cầu về bơm với các loại công suất và thông số kỹ thuật khác nhau đang đòi hỏi đáp ứng với số lợng lớn phục vụ các yêu cầu của thực tế sản xuất và đời sống. Chỉ xét riêng trên địa bàn tỉnh Bình Định cũng có rất nhiều cơ sở sản xuất nh: xí nghiệp chế biến thủy sản đông lạnh Quy Nhơn, nhà máy đờng Bình Định, nhà máy rợu Bình Định, xí nghiệp chế biến bột mì (bột sắn) Phù Mỹ Các cơ sở này hàng ngày đang thải ra môi trờng hàng ngàn m 3 nớc thải cha đợc xử lý thỏa đáng, làm ô nhiễm môi trờng, ảnh hởng tới sức khỏe của cộng đồng và sản xuất. 1.2. Mục tiêu của đề tài Với đặc thù là mang theo nhiều tạp chất, nớc thải là một tổ hợp phức tạp các thành phần vật chất. Trong đó nguồn gốc nhiễm bẩn thuộc nguồn gốc vô cơ và hữu cơ thờng tồn tại dới dạng không hòa tan, keo và hòa tan. Cho dù các chất này có độc hại hay không thì chúng cũng cần phải đợc tách ra khỏi nớc thải trớc khi xả nớc thải ra nguồn [2]. Một trong số những thiết bị không thể thiếu cho việc xử lý nớc thải là máy bơm. Qua nghiên cứu khảo sát về đặc thù nớc thải, về tính năng từng loại bơm, chúng tôi xét thấy loại bơm trục vít là phù hợp nhất. Mục tiêu của đề 3 tài hớng tới nghiên cứu thiết kế các loại bơm trục vít phục vụ cho việc bơm nớc thải tại các cơ sở sản xuất chế biến nông lâm thủy sản. 1.3. Yêu cầu của đề tài Với mục tiêu trên, cộng thêm việc khảo sát sơ bộ lợng nớc thải tại các cơ sở sản xuất chế biến nông thủy sản tại địa phơng, chúng tôi đã lựa chọn hớng nghiên cứu thiết kế loại bơm trục vít với công suất dới 10 kW. Do vậy, "nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị bơm trục vít" phục vụ cho việc xử lý chất thải trong các vùng chế biến nông, thủy sản là vấn đề rất cấp thiết và chắc chắn sẽ đem lại hiệu quả không nhỏ về kinh tế, ý nghĩa xã hội và góp phần bảo vệ môi trờng sinh thái. 4 2. TổNG QUAN TìNH HìNH NGHIÊN CứU, CHế TạO Và Sử DụNG BƠM TRụC VíT 2.1. Tình hình nghiên cứu, chế tạo và sử dụng bơm trục vít 2.1.1. Nghiên cứu, chế tạo và sử dụng bơm trục vít ở nớc ngoài Từ thời Hy lạp cổ đại (năm 287-212 trớc Công nguyên), nhà toán học và vật lý nổi tiếng của Hy lạp - ác Si Mét đã đề xuất một loại máy bơm dựa trên nguyên lý xoắn để cấp nớc tới ruộng đồng. Máy bơm kiểu vít xoắn làm việc theo nguyên lý đề xuất của ác Si Mét đợc gọi là bơm trục vít ác Si Mét. Bơm trục vít thời ác Si Mét có cấu tạo rất sơ sài. Bơm gồm một ống trụ hình tròn to và thô chạy bao vòng quanh một trục hình trụ theo kiểu xoắn ốc từ dới lên trên. Khi dùng sức ngời để quay trục thì nớc sẽ đợc đa lên cao theo ống tròn hình xoắn [5]. Vào giữa Thế kỷ thứ IV, ngời La mã dùng bơm trục vít cho các hệ thống cung cấp nớc với số lợng lớn. Ngời Tây Ban Nha dùng bơm trục vít để vận chuyển sa khoáng. Các bơm trục vít thời kỳ này đều đợc kéo bằng sức ngời hoặc sức động vật [6] Đến Thế kỷ thứ XIV, ở châu Âu, bơm trục vít đợc dùng để tạo các thác nớc phục vụ đời sống. Vào thời kỳ Phục Hng, Leonardo De Vince (1452- 1591) đã nghiên cứu và cải tiến bơm trục vít ác Si Mét bằng cách dùng các lá xoắn thay thế cho các ống tròn xoắn, tăng độ lớn của khoang chứa nớc, nâng cao năng lực vận chuyển chất lỏng. Các nớc ở bờ biển Bắc Hải, Ban Tích nh Hà Lan, Đan Mạch, Phần Lan, . có địa thế rất thấp với nhiều vùng đất nằm dới mực nớc biển, do vậy, cần dùng số lợng lớn bơm để tiêu úng. Khi ấy, các bộ phận của bơm trục vít đợc làm bằng gỗ. Ngời Hà Lan đã lợi dụng sức gió để kéo bơm trục vít (kết hợp giữa cối xay gió với bơm trục vít). Nhiều bơm trục vít vận hành liên tục hơn.(Hình 2.1) [6]. 5 Hình 2.1: Bơm trục vít với động lực cối xay gió Đến Thế kỷ thứ XIX, các quốc gia Châu Âu đã dùng bơm trục vít phục vụ cấp nớc. Đức và Pháp bắt đầu sử dụng bơm ác Si Mét vào những năm 1880. Sau khi bơm trục vít hiện đại ra đời vào năm 1920, một số nớc Châu Âu đã nghiên cứu cải tiến để dùng vào việc tiêu úng và cung cấp nớc. Đến 1930, ở Hà Lan đã có khoảng 300 máy bơm trục vít, trong đó, sức gió làm động lực chủ yếu và nhiều bơm đợc chế tạo bằng gỗ [6]. Sau Thế chiến thứ II, bơm trục vít đợc dùng trong lĩnh vực cấp thoát nớc. Trong các công trình xử lý nớc thải thành phố và phục vụ các nhà máy công nghiệp, bơm trục vít đã đợc ứng dụng ngày càng nhiều. Ngoài ra, bơm trục vít còn đợc dùng vào việc tới nớc cho đồng ruộng, tiêu úng, thay nớc, khống chế mức nớc thủy triều, . phục vụ nông nghiệp. B a ựn h r a ờn g k h e ỏ Truùc truyen ủoọng coỏi xay gioự 6 Hiện nay, bơm trục vít đợc thiết kế và chế tạo tại các hãng chuyên ngành nh Spaans (Hà Lan), Giroud- Olma (Thụy Sỹ), Lappenrannen (Phần Lan), Ailen Gwynes (Anh), Man, Holscher, Dambach, Rits (Đức), Mitsubishi, Shiko (Nhật), Inter Sigma (Canada), . Các sản phẩm bơm trục vít này đang đợc bán rộng rãi ở các nớc nh: Mỹ, Pháp, Canada, Phần Lan, Libi, . Công ty Spaans của Hà Lan đợc thành lập từ năm 1928 đã cung cấp thiết bị cho hơn 3000 trạm bơm trục vít [8]. Pits Atro là hãng chuyên sản xuất bơm trục vít đứng hàng đầu của Đức ra đời từ năm 1969 đã đóng vai trò quan trọng đối với việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và lắp đặt các máy bơm trục vít các ngành kỹ thuật khác nhau trên phạm vi thế giới [8]. ở Nhật Bản các máy bơm trục vít loại lớn có đờng kính ngoài của cánh bánh công tác D = 4000 mm. Bơm trục vít đợc đầu t nghiên cứu, thiết kế và áp dụng vào sản xuất từ thời kỳ Đức Xuyên (1603- 1867). Misubishi là hãng sản xuất bơm trục vít đứng hàng đầu Nhật Bản với các sản phẩm đạt chất lợng cao và lu lợng Q max = 36000 m 3 /h. Từ những năm 1970, Trung Quốc cũng chú ý đầu t nghiên cứu, thiết kế và chế tạo nhiều loại máy bơm trục vít phục vụ cho tới tiêu nớc trong nông nghiệp và xử lý nớc thải. Nhà máy chế tạo bơm Tây Hồ(tỉnh Giang Tô) đã cho ra đời hàng loạt máy bơm trục vít với lu lợng đạt Q = (100 - 500) m 3 /h. Viện thiết kế công trình đô thị Thợng Hải đã hợp tác với công ty chế tạo máy Quý Lạc (Thợng Hải) sản xuất các máy bơm trục vít phục vụ các công trình xử lý nớc thải của các nhà máy công nghiệp Thợng Hải với lu lợng Q = (930 - 5000) m 3 /h và cột nớc cần bơm H = (1 - 5)m. Các hãng sản xuất bơm trục vít đã đầu t cho nghiên cứu, thiết kế và hoàn thiện công nghệ chế tạo các chi tiết cơ bản của bơm, xây dựng quy trình công nghệ lắp đặt bơm trục vít, đã cho ra đời nhièu kiểu bơm trục vít khác nhau: kiểu nằm ngang (hình 2.2), kiểu vuông góc (hình 2.3). 7 Hình 2.2. Bơm trục vít kiểu nằm ngang Hình 2.3. Bơm trục vít kiểu vuông góc Các bơm trục vít của các hãng lớn đều phân loại theo lu lợng của máy. có thể phân chia các bơm trục vít thành hai loại: loại nhỏ với lu lợng Q = 30 - 100 m 3 /h và loại lớn Q >100 m 3 /h. Đến nay, bơm trục vít lớn nhất thế giới đạt lu lợng Q = 40.000 m 3 /h (do Allen Gwynes, Man và Spaans sản xuất) [9]. 2.1.2. Nghiên cứu và chế tạo bơm trục vít ở Việt Nam Bơm trục vít đợc một số hãng nh Spaans - Hà Lan đa vàoViệt Nam dùng trong nông nghiệp và công nghiệp. Một số bơm trục vít đã đợc sử dụng trong các nhà máy công nghiệp nh nhà máy giấy, nhà máy hóa chất, nhiệt điện, . để vận chuyển, xử lý chất thải. Trong những năm 1980, một số cơ sở nghiên cứu và chế tạo ở trong nớc nh Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội, nhà máy công cụ số 1, công ty cơ khí thủy lợi, . đã nghiên cứu và chế tạo bơm trục vít với mục đích dùng trong xử lý chất thải nông nghiệp và công nghiệp nhng kết quả nghiên cứu và 8 sản phẩm chế tạo cha đợc nhiều. Việc ứng dụng bơm trục vít trong dây chuyền xử lý chất thải trong công nghiệp và nông nghiệp cha rộng rãi. Lý do là trong thời gian trớc đây, vấn đề bảo vệ và xử lý ô nhiễm môi trờng cha đợc coi trọng. Các cơ sở nghiên cứu cũng nh các nhà máy chế tạo còn cha chú ý đầu t đến thiết bị bơm trục vít. Hiệu suất và chất lợng bơm trục vít còn rất thấp. Ngày nay, bảo vệ môi trờng đang là mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia trên thế giới. ở Việt Nam, một số cơ sở sản xuất đang tiến hành xây dựng các dây chuyền xử lý chất thải. Trong Nông nghiệp, vấn đề xử lý chất thải ở các khu chế biến nông thủy sản đang là mối quan tâm đặc biệt. Việc lựa chọn và sử dụng thiết bị vận chuyển chất lỏng trong các dây chuyền xử lý chất thải rất quan trọng vì yêu cầu phải có các đặc tính sau: - Hiệu suất cao ở trong tình trạng biến đổi của mực nớc đầu vào và lợng nớc bơm, hiệu suất vẫn giữ không thay đổi; - Có thể trực tiếp lắp đặt ở giữa hai bể lắng và bể lộ thiên mà không cần phải xây dựng bể hút và các thiết bị phụ trợ khác; - Không bị tắc nghẽn bởi các tạp chất có trong nớc thải; - Bảo dỡng, sửa chữa dễ dàng; - Số vòng quay chậm, không đợc làm vỡ các hạt ô nhiễm hoạt tính và hóa phèn nớc ô nhiễm hồi lu của thiết bị nớc sạch. Nếu chuyển tải nớc ô nhiễm có dầu thì phải tránh số vòng quay quá cao, bởi vì khi ấy sẽ làm nớc ô nhiễm bị sữa hóa. Bơm trục vít là thiết bị có thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu nêu trên. Thụy Sỹ đã giúp Việt Nam xây dựng trạm bơm nớc thải cho thành phố Nam Định có 10 tổ máy với công suất mỗi máy N 1 = 50 Kw, lu lợng Q = (900 - 1100) m 3 /h. Đến nay, hầu nh cha có tài liệu kỹ thuật nào về máy bơm trục vít phục vụ cấp thoát nớc, xử lý nớc thải cũng nh tới tiêu trong nông 9 nghiệp . đợc công bố ở nớc ta. Vấn đề đầu t cho nghiên cứu, thiết kế cũng nh công nghệ chế tạo, sử dụng, bảo dỡng, sửa chữa máy bơm trục vít cũng cha đợc chú ý quan tâm đầy đủ. 2.2. Đặc điểm, công dụng của bơm trục vít và lựa chọn đối tợng nghiên cứu 2.2.1. Đặc điểm 2.2.1.1. Lu lợng lớn, cột nớc thấp, tiết kiệm điện năng Lu lợng của bơm trục vít liên quan trực tiếp đến nguồn nớc, do vậy, không cần phải xây dựng trạm bơm có bể hút sâu, tiết kiệm đợc chi phí xây dựng. Bơm nớc ở những nơi có mực nớc sâu, đầu nguồn nớc mà bơm trục vít yêu cầu, thậm chí còn nông hơn cả rãnh, ngòi. Có thể loại trừ việc xây dựng đập ngăn thủy lợi mà những trạm bơm thông thờng khác cần có. Cột nớc của bơm trục vít xác định theo yêu cầu thực tế sử dụng. Ví dụ nhà máy nớc và nhà máy xử lý nớc thải thờng phải sử dụng máy bơm có lu lợng lớn, cột nớc thấp để hút nớc bẩn, nớc bẩn hoạt tính và nớc bẩn hồi lu. Nếu sử dụng máy bơm thông thờng sẽ có hiện tợng cột nớc máy bơm và công suất bơm bị d thừa lãng phí điện năng tiêu thụ. Sử dụng bơm trục vít có thể tránh đợc sự lãng phí đó. Một số nhà máy xử lý nớc thải ở nớc ngoài thờng sử dụng máy bơm trục vít có lu lợng Q = (50 - 300) m 3 /h, cột nớc H # (1 - 4)m và tiết kiệm tới 25 - 30% năng lợng điện tiêu thụ so với việc sử dụng bơm ly tâm thông thờng. Tuy nhiên, hiệu suất của bơm trục vít phụ thuộc nhiều vào số đầu cánh. Với bơm trục vít có một đầu cánh thì hiệu suất bơm # b = (0,2 - 0,35); bơm có hai đầu cánh có thể đạt # b =(0,5 - 0,6) và sẽ đạt # b = (0,6 - 0,8) khi bơm có 3 đầu cánh. Các bơm trục vít cỡ lớn và trung bình đều có vùng làm việc tối u. Những nơi đồng bằng ven biển và địa hình trũng sử dụng bơm trục vít rất có lợi, bởi vì tiết kiệm điện năng và hạ giá thành đầu t [9]. 10 2.2.1.2. Đơn giản hóa thiết kế trạm bơm, tiết kiệm chi phí xây dựng và quản lý vận hành Các trạm bơm nhỏ thờng dùng nh bơm ly tâm, bơm hỗn lu đều làm việc với số vòng quay cao nhằm tạo đợc độ chân không lớn ở trong ống để hút nớc. Nếu mực nớc hút thấp sẽ tạo ra hiện tợng hút nớc có lẫn không khí, bơm sẽ không làm việc. Đối với bơm trục vít, chỉ cần mặt lá cánh xoắn tiếp xúc với mặt nớc là có thể đa nớc lên, tự động điều chỉnh lu lợng nớc tơng ứng với mực nớc bể hút. Bơm trục vít làm việc với lu lợng cho phép từ 0 đến rất lớn mà không cần liên tục mở và ngừng máy, tổn thất cột nớc rất ít, không cần xây dựng bể hút, không cần đờng ống đẩy để đa nớc lên cao, đơn giản hóa việc xây dựng nhà trạm, tiết kiệm đợc chi phí xây dựng. Sử dụng bơm trục vít có thể tránh đợc sự lãng phí không cần thiết của hầm áp lực nớc tĩnh (H tĩnh ). Trong điều kiện không có lực hút và áp lực, không thể xuất hiện áp lực cản trở dòng chảy (H cản trở và H cản trở 1 ). Do vậy, khi tính toán công suất của bơm trục vít chỉ cần chú ý đến áp lực nớc tĩnh của mực nớc (H tĩnh ) là đợc (không giống nh những loại bơm khác còn phải chú ý đến tổn thất dòng chảy tính toán theo H tổng ). Bơm trục vít cho phép đơn giản hóa việc xây dựng trạm bơm và tiết kiệm đợc chi phí xây dựng, chủ yếu là do phơng pháp bố trí lắp đặt không giống nhau của bơm trục vít so với các loại bơm khác [9]. 2.2.1.3. Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo Số vòng quay của bơm trục vít rất thấp. Kinh nghiệm chỉ rõ là vận tốc tối u nhất có thể từ (20 - 110 v/ph). Tổn thất thủy lực trong máy bơm trục vít rất nhỏ Sự mài mòn do ma sát trong máy cũng rất nhỏ, do vậy, có thể kéo dài tuổi thọ sử dụng của bơm. Bánh công tác với lá cánh xoắn trong bơm thờng bố trí thoáng, bảo dỡng và sửa chữa dễ dàng, khi vận hành không cần theo dõi liên tục, thuận tiện cho việc sử dụng trạm bơm điều khiển từ xa. . tạo Trờng đại học nông nghiệp I Lê văn dung Nghiên cứu thiết kế bơm trục vít cỡ nhỏ để bơm nớc thải tại các cơ sở chế biến nông thuỷ sản Luận văn thạc. bộ lợng nớc thải tại các cơ sở sản xuất chế biến nông thủy sản tại địa phơng, chúng tôi đã lựa chọn hớng nghiên cứu thiết kế loại bơm trục vít với công