Tính toán khuấy gia nhiệt bằng ống xoắn ruột gà

Các máy khuấy trộn có vai trò quyếtđịnh chất lượng của sản phẩm như độ đồng đều, tiêu chuẩn kỹ thuật đồngthời góp phần vào việc tăng năng suất thiết bị, giảm thời gian sản xuất, tiếtkiệm

Mục lục

Trang

I.2.Chế độ thuỷ động của chất lỏng khi khuâý 4

I.5 Tính toán kích thước thiết bị khuấy 8

Chương III Tính và chọn thiết bị phụ trợ 28

thời tạo ra các hệ huyền phù và hệ bọt Các máy khuấy trộn có vai trò quyếtđịnh chất lượng của sản phẩm như độ đồng đều, tiêu chuẩn kỹ thuật đồngthời góp phần vào việc tăng năng suất thiết bị, giảm thời gian sản xuất, tiếtkiệm chi phí vận hành… Do đó, các thiết bị khuấy trộn được sử dụng rộngrãi trong công nghiệp, công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, công nghiệpdược phẩm, công nghiệp luyện kim, công nghiệp vật liệu xây dựng, côngnghiệp chế biến nông lâm hải sản, công nghiệp khai thác mỏ và nhiềunghành công nghiệp khác Bộ phận quan trọng nhất của thiết bị khuấy là cơcấu khuấy, cho đến nay chưa có tiêu chuẩn vạn năng để lựa chọn cơ cấukhuấy tương ứng cho qúa trình đã cho Tham số quan trọng nhất để lựa chọn

cơ cấu khuấy là độ nhớt của chất lỏng, thường dùng cơ cấu khuấy vận tốccao để khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt thấp và sử dụng cơ cấu quay chậm

để khuấy chất lỏng có độ nhớt cao Dạng cánh khuấy của cơ cấu khuấy đóngvai trò quan trọng trong các chỉ tiêu kỹ thuật của dung dịch đem khuấy

Chương I

Tính công nghệ

I.1.Thời gian đồng đều hoá:

Thời gian đồng đều hoá là thời gian khuấy trộn để các môi trường có thểtrộn lẫn hoặc tan lẫn vào nhau tới mức độ đồng đều nhất định Thời gian phụthuộc rất nhiều yếu tố: số vòng quay của loại cơ cấu khuấy, đặc trưng củathùng khuấy, …

Theo công thức (4.12 - I ) trang 122 ta có:

τ n = kτ= const (I.1) trong đó:

τ: Thời gian làm đồng đều hoá (s)

n: Vận tốc góc của cơ cấu khuấy (vg/s)

kτ: Hệ số thời gian,phụ thuộc vào cơ cấu khuấy và thùng khuấy:

140 )

7 , 0

4 , 1 ( 35 )

=

kd

D c

với Cτ : Hệ số thời gian, tra bảng (4.1 – I ) ta có Cτ= 35

5 , 1

140

s n

I.2 Chế độ thuỷ động của chất lỏng khi khuấy:

I.2.1.Chuẩn số Reynolds khuấy:

Tốc độ chuyển động của chất lỏng trong thiết bị khuấy phụ thuộc tốc độchuyển động của cơ cấu khuấy Để đặc trưng cho chế độ thuỷ động của chấtlỏng trong thiết bị khuấy người ta đưa ra chuẩn số Reynolds theo công thức(5.4 - II ):

Re

Trong đó:

+ n = 1,5 (vg/s): số vòng quay của cơ cấu khuấy

+ ρ = 1100,511(kg/m3): khối lượng riêng của môi trường khuấy

+ η = 5,5.10-3 (Pas): độ nhớt động lực học môi trường khuấy

+ dk= 0,7 (m): đường kính cơ cấu khuấy

Vậy

4 3

2

10 468 , 1 10

5094 ,

5

7 , 0 5 , 1 511 , 1100

x

x xk

Ta có thiết bị làm việc ở chế độ chảy xoáy

I.2.2.Chuẩn số Frud :

Là tỷ số giữa lực quán tính và lực trọng trường, đặc trưng cho ảnhhưởng của phễu lên công suất và các quá trình công nghệ khác (trang 614 -III )

081

,9

7,05,

Trong đó

+ g: gia tốc trọng trường

+ n :số vòng quay của thiết bị khuấy

+ dk: đường kính cơ cấu khuấy

I.2.3.Chuẩn số Euler khuấy: (chuẩn số công suất )

Chuẩn số Euler khuấy mô tả quan hệ giữa lực áp suất gây ra chảy và ápsuất động

Theo (trang 619- III ) ta có V.V.Kafarov đã xác định được chuẩn số Eulercho cánh khuấy loại hai tấm (hai bản) đặt trong thùng chứa có lắp ốngtruyền nhiệt:

4248,1)

10.468,1(

1,7Re

1,7

135 , 0 4 135

,

=

k k

2

10.43,110

.4,59

511,1100

7,0.5,1

d n

Trong đó:

+σ (N/m) là sức căng bề mặt của chất lỏng được khuấy Tra bảng(I-242 trang 301– III ) ta có σ = 59,4.10-3 N/m ở t = 800C

+ ρ :Khối lượng riêng của chất lỏng khuấy

I.3 Công suất máy khuấy:

Công suất làm việc là công suất sinh ra để thắng lực ma sát và quán tính

của chất lỏng đứng yên

+ Công suất tiêu tốn:

theo (trang 614 – III ) ta có công thức (IV.2-III):

I.4 Tính & chọn cơ cấu khuấy:

I.4.1 Độ nhớt của huyền phù:

Với các thông số: - Nhiệt độ làm việc: t = 800C

- Nồng độ grixêrin : 45%

- Nồng độ pha rắn : 14%

- Năng suất thiết bị : 2 m3/mẻ

+Tra bảng (I -1-1)_Độ nhớt của hỗn hợp Grixêrin với nước (Trang 112 - III )

Ta có độ nhớt & khối lượng riêng của grixêrin :

µgrixêrin= 3,38.10-3 (Ns/m2) ở nhiệt độ t = 300C (I.8)

ρgrixêrin = 1100,511 (kg/m3) ở nhiệt độ t = 250C (I.9)+ Theo mục ξ2- độ nhớt (Trang 84 - III )

Ta có độ nhớt của huyền phù khi nồng độ pha rắn lớn hơn 10% thể tíchtheo công thức ( I-1-14 – III ) :

µhuyền phù = µ1 + ( 1 + 4,5 ϕ ) (Ns/m2) (I.10) Với: µ1 - độ nhớt động lực của môi trường chất lỏng (Ns/m2)

( Bảng I 279 – Bảng đơn vị đo lường hợp pháp và hệ số chuyển từ các hệđơn vị khác sang hệ hợp pháp ).

Độ nhớt của huyền phù là:

µhuyền phù = 5,5094.10-3 (Ns/m2) = 5,5094.10-2 (Pas)

I.4.2.Chọn loại cơ cấu khuấy:

Cho tới nay chưa có tiêu chuẩn vạn năng để lựa chọn cơ cấu khuấy tươngứng cho quá trình đã cho Do đó, khi lựa chọn cơ cấu khuấy cần chú ý tớicác kinh nghiệm thu lượm được ở các hệ thống công nghiệp cũng như ởthiết bị thí nghiệm Cách lựa chọn tối ưu là chú ý tới các tham số vật lý củachất lỏng mà trước hết là độ nhớt đóng vai trò quan trọng khi lựa chọn cơcấu khuấy Nói chung thường dùng cơ cấu khuấy vận tốc cao để khuấy trộnchất lỏng có độ nhớt thấp và sử dụng cơ cấu khuấy quay chậm để khuấy trộnchất lỏng có độ nhớt cao Do độ nhớt thấp và do các yếu tố công nghệ tachọn loại cơ cấu khuấy bản (mái chèo) Đây là loại cơ cấu quay chậm và cóhai cánh Cơ cấu khuấy bản là loại thiết bị khuấy trộn cổ nhất trong côngnghiệp hoá học song chúng vẫn được sử dụng đến ngày nay trong nhữngtrường hợp không cần thiết luân chuyển chất lỏng hướng trục – kính mãnhliệt trong thiết bị cơ cấu khuấy kiểu này tạo luân chuyển vòng quanh (chuvi), còn sự luân chuyển hướng trục – kính không đáng kể Ưu điểm chủ yếucủa cơ cấu khuấy bản là đơn giản, dễ chế tạo nên giá thành thấp Nhượcđiểm là cường độ khuấy trộn kém, hiệu quả khuấy trộn thấp và không thểdùng khuấy chất lỏng dễ phân lớp

Theo bảng 2.1 giới thiệu cách chọn các loại cơ cấu khuấy (Trang 42

-I ): ta có cơ cấu khuấy bản với các thông số sau:

I.5 Tính toán kích thước thiết bị khuấy :

I.5.1.Kích thước của thùng khuấy:

Chọn thiết bị có dạng trụ tròn đáy hình nón như hình 1

D

Hình 1 + Đường kính của thiết bị :

Thể tích thiết bị hình trụ là :

h

D V

4

2

∏

= ( I.11) Thể tích thiết bị hình nón là :

h

D V

).

( 4 , 0 ) 30 ( 2

m

Thể tích của thân hình trụ là:

chiều cao của thân hình trụ thiết bị:

2,14,114,3

244

V H

Vậy ta chọn chiều cao thực của thiết bị H = 1,5 (m)

I.5.2.Kích thước của cánh khuấy:

Theo bảng 2-8 – Các kích thước thích hợp (trang 52- I) và mục 2.1.7 - cơcấu khuấy bản (trang 58- I) ta có quan hệ kích thước của thiết bị khuấy: + Đường kính cánh khuấy:

dk = (0,5 ÷ 0,8)D = (0,7 ÷ 0,12) (m) ( I.13) Chọn dk= 0,7 m

+ Chiều cao cánh khuấy:

b = (0,1 ÷ 0,2)dk =( 0,07 ÷0,14 ) (m) ( I.14) Chọn b = 0,175 (m)

140 16

Hình 2 + Khoảng cách từ cơ cấu khuấy đến đáy thùng:

h = (0,1÷ 0,3)dk = ( 0,07 ÷0,21) (m) ( I.15) Chọn h = 0,18 (m)

+ Chiều cao chất lỏng trong thùng:

H = (0,8 ÷ 1,3)D = ( 1,12 ÷ 1,82 ) (m) ( I.16) Chọn H= 1,3 m

- Theo bảng 2.2 - cơ cấu khuấy bản (Trang 45 – I ): ta chọn loại thùngkhuấy không có tấm chắn :

+ Đường kính cơ cấu khuấy dk = 700 (mm)

220

20

ph vg

x d

v n

k

th = =

với: vth = 2 (m/s) - vận tốc đầu cánh thích hợp

dk = 0,7 (m) - đường kính cơ cấu khuấy

I.5.3.Kích thước của lỗ nạp và tháo liệu:

* Đường kính lỗ tháo sản phẩm:

Ta có phương trình Becnuli đối với chất lỏng lý tưởng:

g

v P

h g

v P

B A

A A

2 2

2 2

+ +

= +

B A

2

2

+

= ( I.19)vậy ta có:

)/(277,08,92

5,1

h h

Chọn thời gian tháo sản phẩm bằng 10% thời gian lưu (t = 15’), do đólưu lượng của thùng khuấy ra khỏi thiết bị là:

) / ( 10 2 , 2 900

s m t

4

2

∏

= ( I.22) Suy ra:

)/(10,0277

,0

10.2,24

s m

x v

Q d

* Tương tự ta có kích thước của lỗ nạp liệu là: d = 100 (m)

I.6 cân bằng nhiệt:

I.6.1 Hệ số cấp nhiệt :

- Hệ số cấp nhiệt trong thiết bị có ống xoắn khi có khuấy trộn bằng cánhkhuấy mái chèo ( Trang 22 công thức VI.67 - IV ):

14 , 0 1

33 ,

0 ( ) Pr

Re

* α: hệ số cấp nhiệt (W/m.độ) Ta có công thức (4.51; 4.52; 4.53–I):

(I.28)

).(

(I.27)

15,0

(I.26)

33 , 0 2 1

34 , 0 45 , 0 1 4

38 , 0 1 22 , 0 4

λ

η ρ

α

C a

a a

D d N

N = ξk.n3 .d5

k .ρ = 889,4 (W) (I.29) + dx - đường kính ống xoắn ruột gà (chọn sơ bộ dx= 0,04 m )

1149,444

,1.04,0.43,889.7293,

11

11,7293055094

,0.511,1100

9637,

8.15,0

8,9637)

523,0.2814(

2 38

, 0 1 22

, 0

34 , 0 45

, 0 4

33 , 0 2 1

, 0

4 , 1 44 ,

29 523

, 0

10 5 , 5 2814 Pr

>

+ µ: độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ trung bình

10 38 , 3

10 38 , 3 ( 643 , 29 14680

87 ,

3

3 33

, 0 62

,

Nu

I.6.2.Chọn chất tải nhiệt:

+ Chọn chất tải nhiệt là hơi quá nhiệt với:

- Độ nhớt: theo trang 94 bảng (I.102 – III)

I.6.3.Xác định lượng nhiệt trao đổi:

Theo phương trình cân bằng nhiệt:

Q = G C p ∆t (I.31)

trong đó: G - khối lượng chất tải nhiệt

Cp – nhiệt dung riêng

∆t – độ chênh nhiệt

+ Lượng nhiệt cần để gia nhiệt cho dung dịch trong thiết bị khuấy:

10.039,2

10.7162,3

C

Q G

p

(I.33)+Lưu lượng môi chất tải nhiệt:

/s)

m (1,32.1060

.38,958

2278

3 3 -

( với thời gian gia nhiệt t = 1 phút = 60s )

- Theo trang 25 bảng (1.2 - VII ) – Tốc độ môi chất chuyển động trongống hoặc kênh Chọn tốc độ chuyển động của hơi nước là v = 30 (m/s) + Diện tích tiết diện ngang của ống xoắn :

).

m ( 1,32.10 30

4

x S

+ Chiều dài của ống xoắn :

)

m (6038,958.3010.32,1

2278

x v

S

G v

S

V L

+ Số vòng xoắn :

)

vßng(

14

4,1

60

=

ππ

D L

Chương II tính cơ khí

II.1.Tính trục khuấy:

II.1.1 Tính toán trục khuấy:

Theo mục 5.1 - Tính toán trục khuấy (trang 178 – I ):

+Xác định đường kính sơ bộ của trục:

[ ]

3

.

16

cp

x t

M d

5 2

296,470,7

x,51100,511x12

4248,

=

=

x M

Vậy ta có:

(m)

0,045510

.16

47,296

163

3 =Π

=

x

d t

Chọn dt =50 mm

II.1.2 Kiểm tra bền trục khuấy:

II.1.2.1 Xác định các lực tác dụng lên trục khuấy:

- Mômen xoắn Mx sinh ra do trở lực của môi trường theo công thức (5.8

- I ) :

(II.3) )

.(000.955

p

dc dc

n

N Cx w

N Cx

Nđc = 2,2 kw - Công suất của động cơ

np = 57 (vg/ph) – số vòng quay của trục khuấy

Cx = 1,2 – hệ số chú ý tới dao động của lực cản

Do đó, ta có:

(Nmm)10

.423,4)57

22002

,1(000

c F

x c

M F

, 262 2

10 423 ,

N

+ Tính chiều dày cánh khuấy:

- Momen uốn lớn nhất xuất hiện tại chân cánh được xác định theo côngthức (5.54a – I ) :

M =( r – r ) F (II.6)

n M S

σ

5 , 2 6265 , 52

x

x x

hình 3

- Khoảng cách giữa các điểm đặt lực: theo phần Trục (trang 182- V) ta có :

lm12 = (1,4 ÷ 2.5) dt = (1,4 ÷2,5).50 = 70 ÷ 125 (mm) Chọn lm12 = 80 mm

k3: Khoảng cách từ mặt cạnh của chi tiết quay tới nắp ổ (theo bảng10.3 trang 189 – V ) chọn k3 = 15 mm

hn: Chiều cao nắp ổ và đầu bulông theo bảng 10.3 ( trang 189 - I )chọn hn = 15 mm

b0: Chiều rộng ổ lăn, với đường kính trục sơ bộ là d = 50 mm, theobảng 10.2 (trang 189 – V) ta chọn b0 = 23 mm

- Chiều cao mực lỏng trong thùng H = 1300 mm;

- Khoảng cách từ mặt dưới cánh khuấy đến đáy thiết bị h = 180 mm ⇒

2

=1264 (N) Đặt các phản lực vào ổ ta có phương trình cân bằng lực và cân bằng

mômen:

Fnt – Fly10 – Fly11 + Fr = 0 (II.9)

Fnt 80 + Fly11 300 – Fr.(1120 + 300) = 0 Thay Fnt = 1264 (N) và Fr = 84,2 (N) vào hệ phương trình trên ta giải được:

Fly10 = 1410 (N)

Fly11 = 61,5 (N)

Ta có biểu đồ lực và biểu đồ mômen:

Xác định đường kính trục tại A và B: theo (trang 188 – V )

Hình 4

- Ta có mômen tương đương tại A theo (II.10):

)(

11912644230

.75,011280075

2,

M

Chọn theo tiêu chuẩn ta chọn dA = 45 m

- Ta có mômen tương đương tại B:

)(

7881444230

.75,06888075

[ ] 0,2.20 27(mm)

78814

2,

M d

Chọn theo tiêu chuẩn ta chọn dB = 40 mm

II.1.3 Kiểm tra bền trục khuấy theo điều kiện bền mỏi:

- Kiểm tra độ bền mỏi tại mặt cắt A-A: theo công thức (5 23 – I )

0.5 2

2 3

k s d

h b

-

-= (II.13)Trong đó:σ-1 : Giới hạn bền mỏi σ-1= 600 Mpa

[σ] > σtd vậy trục thoả mãn bền

II.1.4 Kiểm tra bền trục khuấy theo điều kiện ổn định (độ cứng):

Tính trục theo cứng chính là kiểm tra xem chuyển vị hướng kính củatrục (độ vòng) tại các tiết diện nguy hiểm có thoả mãn điều kiện (5.2) haykhông

II.1.4.1.Chuyển vị hướng kính của trục khuấy:

- Độ võng của trục trong đoạn 0 ≤ X1 ≤ a (Đoạn trục AB):

Theo công thức (5.35b –I ) trang 190 ta có:

X aX

NJ

M

(II.14)trong đó:

MnB = 112800 (Nmm) : Mô men uốn tại B/

a = 80 (mm) : Khoảng cách giữa hai ổ

E = 2.105 N/m2 = 2.1011 N/mm

)(mm613664

50.64

.2

300112800

27

3

x

x J

E

a M

3

2 1

3 1 1

2 2

J

J l

l l

a J

E

l M

f nB

) ( 10 2 , 1 1 45

50 1305

1300 1305

300 1

64

50 10 2 3

1305

3

3 3

3 11

=

π

+ Kiểm tra trục theo cứng:

Với tác dụng có cơ cấu khuấy:

.10-4.dt1 + (4÷7) 10-4.dt1

= ( ) ( )



 ÷ + 4÷72

5 1

1305 2

1 +1,2.10-4 = 0,38812

fk < [f] = 300 (mm)

II.1.4.2 Tính toán trục theo ổn định ngang:

Tính toán trục theo ổn định ngang là xác định xem trục có thoả mãncác điều kiện đưa ra ở bảng (5.1 – I ) không theo công thức(5.45 – I ):

ω1 : Tần số dao động riêng của trục

m : khối lượng dao động (kg)

K : Độ cứng của trục tại chỗ mắc cánh khuấy

Trong đó khối lượng dao động xác địng theo công thức (5.46 – I ):

m = mk + ml + 0,24mt (II.23) Với:

+ 0,24 - Hệ số kể đến phần khối lượng trục tham gia vào dao động.(Rút ra từ giả thiết bị kẹp chặt tại ổ đỡ B và tải trọng tập trung ở đầu trục tự

do )

+ mk: khối lượng cơ cấu khuấy

= 7600x.0,005x0,175x0,7 = 4,655 (kg) + m1: khối lượng chất lỏng cùng dao động theo với tốc độ (f), lượngchất lỏng cùng dao động có thể xác định nhờ giả thiết rằng thể tích chất lỏngcùng dao động chính là thể tích tạo nên bởi một cánh của cơ cấu khuấy khiquay, theo công thức (5.47 - I ):

2 2

05.0111004

7,0.175,01

4

k

t k

d

d d

(kg) 2,84

025,03,14

04,0211,04

05,0

08,04

05,02023,04

045,0208,04

04,07600

2 2

2

2 2

π

ππ

, 0

2 ,

F

Vậy tần số dao động riêng của trục là:

s)(1/

2,7123,30

97,530

57

.30

,7

97,

=Ω

II.2.Tính toán thùng khuấy:

6,2

10

1

= δ ηδ

10

240 6 8 2 1

= δ ηδ

1

10.160

6 6

hệ số bền hàn ϕh=0,95 )

- Ta có công thức xác định chiều dày thân thùng làm việc chịu áp suất trong(5.100 – I ):

[ ] 2 160.10 0,95 0,06 0,0647(m)

10.01402,

14,1

2

.P

6 6

k

=

x x

x C

D S

- Dùng công thức (XIII.26-B) với C3 = 0,8.10-3

001,04,1

.2

3

0 3

−

−+

=

−

−+

=

x

x C

S

P C S D

10 240 2

, 1

8 8

Các vật liệu và thông số như thân thùng Chiều dày của đáy nón làm

việc dưới áp suất trong xác định theo công thức (5.114 – I ) :

C

D P

P S

ϕ .cos

1 10

01402 ,

1 10 146 95 , 0 2

10 01402 ,

0 6

Lấy S = 10 (mm)

- Kiểm tra ứng suất của đáy theo áp suất thử (dùng nước): áp suất thuỷ lựckhi thử được xác định như sau và theo bảng (XIII.5 – IV)

P0 = Pth + P1 = (1+0,3 + 0,06) 106 = 1,36.106 (N/m2) (II.40)Xác định ứng suất ở thân thiết bị theo áp suất thử tính toán

- Dùng công thức (XIII.26-B) với C3 = 1,8.10-3

(0,01 0,0018)x0,952

10.36,10018,

001,04,

1

.2

3

0 3

−

−+

=

−

−+

=

x

x C

S

P C S D

10 240 2

, 1

8 8

Chương III Tính chọn thiết bị phụ trợ

III.1 Động cơ:

Công suất động cơ:

Theo (trang -121-I ) ta có công suất của thiết bị thùng trơn:

) (

.

w N k N

hd td

dc = η η (III.1)

Trong đó:

+ k = 2: hệ số quá tải khi khởi động

+ ηtd : hiệu suất truyền động:

Do đó công suất động cơ:

) ( 2196 9

, 0 01 , 0

4 , 889 2

w x

x

Ta có công suất động cơ Nđc = 2196 (W) và số vòng quay của trụckhuấy là n = 57 vòng/phút Do đó, theo trang 238 bảng phụ lục (P.113 – V).Các thông số kỹ thuật của động cơ 4A chọn kiểu động cơ: 4A- 112 MA8I3với các thông số:

Công suất N = 2,2 kW

Vận tốc vòng n = 705 vòng/phút

Cos ϕ = 0,71