B. ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CHẤT LỎNG
15.1. KHUẤY TRỘN BẰNG CƠ KHÍ
15.1.1. Khái niệm
Khuấy trộn chất lỏng bằng cơ khí nghĩa là dùng cánh khuấy Cánh khuấy cĩ nhiều loại
- Cánh khuấy mái chèo: để khuấy trộn chất lỏng cĩ độ nhớt nhỏ.Thƣờng dùng để hịa tan chất rắn, cĩ khối lƣợng riêng khơng lớn lắm.
- Cánh khuấy chân vịt (chong chĩng):dùng để điều chế dung dịch huyền phù nhũ tƣơng. Khơng thể dùng cánh khuấy chân vịt để khuấy chất lỏng cĩ độ nhớt cao hoặc khuấy chất lỏng trong đĩ cĩ các hạt rắn cĩ khối lƣợng riêng lớn.
- Cánh khuấy tuabin: Dùng để khuấy chất lỏng cĩ độ nhớt cao đến 5.105cp, để điều chế huyền phù mịn, để hịa tan các chất rắn nhanh hoặc để khuấy động các hạt rắn đã lắng cặn cĩ nồng độ pha rắn đến 60%
- Cánh khuấy đặc biệt: Dùng trong trƣờng hợp khơng thể dùng đƣợc cành khuấy mái chèo, chong chĩng, tuabin. Thƣờng dùng để khuấy bùn nhão hoặc khuấy chất lỏng cĩ độ nhớt rất cao.
Đặc trƣng của quá trình khuấy trộn là cƣờng độ khuấy và năng lƣợng tiêu hao.
Cƣờng độ khuấy trộn là chất lƣợng của kết quả khuấy theo thời gian. Cƣờng độ khuấy trộn phụ thuộc vào nhiều yếu tố và cho đến nay vẫn chƣa cĩ phƣơng pháp tính tốn nào cĩ thể tin cậy để xác định cƣờng độ khuấy trộn.
Theo Pờrăngnốpski và nicơlaíep cƣờng độ khuấy trộn cĩ thể xác định bằng năng lƣợng tiêu hao của một đơn vị chất lỏng khuấy trộn trong một đơn vị thời gian.
Cƣờng độ khuấy trộn đƣợc đặc trƣng bởi chế độ chuyển động của chất lỏng nghĩa là đặc trƣng bởi chuẩn số Re.
Nếu ứng dụng khuấy trộn để tạo huyền phù thì hiệu suất khuấy đƣợc đặc trƣng bởi sự phân bố đồng đều của các pha.
Hình (15.1) mơ tả cánh khuấy chƣa làm việc, các hạt cịn nằm ở dƣới đáy thiết bị tạo thành một lớp cĩ bề dày khơng đổi.
Hình (15.2) – máy khuấy làm việc đều hồn tồn, nghĩa là ở bất kì điểm nào trong chất lỏng nồng độ pha rắn XC đều nhƣ nhau, và bằng:
% . 100 1 . 1 . r r x x c V V V X khối lƣợng (15.1) Trong đĩ: Vr _ thể tích pha rắn, m3 V1 _ thể tích pha lỏng, m3
r _khối lƣợng riêng pha rắn, kg/m3 ; 1_ khối lƣợng riêng pha lỏng, g/m3
.
Nếu quá trình khuấy trộn chƣa đạt tới sự phân bố đồng đều, thì nồng độ x ở điểm bất kì nào đĩ cĩ thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn xc (xem hình 6-2). Tỷ số của hiệu số x= x-xc và 100-xc đặc trƣng cho sự phân bố đồng đều của pha rắn ở điểm mà ta xét. Thí dụ ta lấy m mẫu cĩ trị số dƣơng
Hình 15.1 Cánh khuấy mái chèo
Hình 15.2 Chiều chuyển động của dịng lỏng
( x1 =x1-xc, x2= x2 – xc, x3=x3 – xc,…, xm=xm –xc) đồng thời cĩ n mẫu cĩ trị số âm
( x’1= x’1 – xc, x2=x’2 –xc, x’3 =x’3 – xc,…, x’n=x’n – xc) độ phân bố đều của quá trình khuấy cĩ thể tính theo cơng thức:
n m x x x x I m c c 1 ' 100 1 (15.2)
theo phƣơng trình thì độ phân bố đồng đều I cĩ giá trị thay đổi từ 0 đến 1. nếu khuấy trộn đạt tới sự phân bố đều hồn tồn thì I=1
15.1.2. Cơng suất khuấy trộn a. Cơng suất làm việc
Khi máy khuấy làm việc thì năng lƣợng tiêu hao dùng để khắc phục ma sát của cánh khuấy với mơi trƣờng.
Theo Newton, một vật thể chuyển động trong mơi trƣờng, thì lực ma sát cĩ thể tính theo cơng thức sau:
2 2 1 w F S , [N] (15.3) Trong đĩ:
_ hệ số cản(ma sát) phụ thuộc vào chế độ chuyển động của mơi trƣờng ;
F _ diện tích tiết diện hình chiếu của vật chuyển động lên mặt phẳng thẳng gĩc với phƣơng của tốc độ chuyển động, m2
;
w- tốc độ chuyển động của vật thể trong mơi trƣờng, m/s; 1- khối lƣợng riêng của mơi trƣờng, kg/m3
. Cơng suất làm việc:
Np=K 1n3d5, [W] (15.4) Trong đĩ K=3.87 a Đặt K = M 5 3 1n d Np M (15.5) Trong đĩ:
1- khối lƣợng riêng của mơi trƣờng,kg/m3 d- đƣờng kính cánh khuấy, m;
Np- cơng suất làm việc,W;
M- là hằng số tìm bằng thực nghiệm, nĩ phụ thuộc vào hình dạng cánh khuấy, thùng khuấy và vào chuẩn số ReM
M= f(ReM) Trong đĩ
ReM chuẩn số Reynolds của trƣờng hợp khuấy 2
1
ReM nd (15.6)
n- số vịng quay của cánh khuấy, vịng/s; d- đƣờng kính cánh khuấy,m; - độ nhớt của chất lỏng, Ns/m2 Do đĩ ta cĩ: 2 1 5 3 1 nd f d n Np M hay m M M A Re A và m là hằng số xác định bằng thực nghiệm.
b. Cơng suất mở máy
Khi mở máy năng lƣợng tiêu hao dùng để khắc phục lực ỳ của chất lỏng từ trạng thái đứng yên sang trạng thái chuyển động và để khắc phục lực ma sát với khơng khí