bài khuấy chất lỏng

Mục đích: − Khảo sát giản đồ chuẩn số công suất khuấy với nhiều hệ thống có hình dạng khác nhau.. − Xem xét sự phụ thuộc của công suất khuấy trộn đối với các đại lượng : đặc tính chất lỏ

I TRÍCH YẾU:

1.

Mục đích:

− Khảo sát giản đồ chuẩn số công suất khuấy với nhiều hệ thống có hình dạng khác nhau

− Xem xét sự phụ thuộc của công suất khuấy trộn đối với các đại lượng : đặc tính chất lỏng, hình dạng cánh khuấy, chế độ khuấy

2.

Tiến hành thí nghiệm:

Tiến hành thí nghiệm bằng cách thiết lập nhiều hệ thống khuấy khác nhau về:

 Loại cánh khuấy: cánh khuấy turbine (CT2, CT3) và chân vịt (CP2)

 Chế độ khuấy (có và không có tấm chặn)

trong các chất lỏng có độ nhớt và khối lượng riêng khác nhau (dầu và nhớt) Ở mỗi thí nghiệm, ta thay đổi vận tốc khuấy và lần lượt đo các đại lượng :

 Vận tốc khuấy N

 Lực cản Ff của cánh khuấy qua lực kế lò xo

3.

Kết quả:

−Với mỗi thí nghiệm, từ các cặp số liệu (N, Ff) đo được ta tính được các chuẩn số đặc trưng của chế độ khuấy: Re, Fr, chuẩn số công suất khuấy P0 Từ các chuẩn số này, ta xây dựng giản đồ công suất khuấy của mỗi loại cánh khuấy ứng với các chế độ khuấy và chất lỏng khuấy

−Từ đó ta có thể đánh giá công suất khuấy giữa các loại cánh khuấy theo các tiêu chuẩn khác nhau (loại cánh khuấy, vận tốc khuấy, loại chất lỏng khuấy), kiểm tra các chuẩn số đồng dạng, tiên đoán công suất của cánh khuấy qua chuẩn số công suất khuấy P0

II LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM:

1.

Khái niệm khuấy:

− Khuấy là quá trình cung cấp năng lượng nhằm làm giảm sự không đồng nhất

trong chất lỏng Đó là sự chênh lệch về nồng độ, độ nhớt, nhiệt độ… ở những điểm khác nhau trong lòng chất lỏng

− Có thể khuấy trộn chất lỏng bằng cơ khí (dùng cánh khuấy), bằng khí nén (sục khí) hoặc bằng tiết lưu hay tuần hoàn chất lỏng

2.

Công suất khuấy:

− Trong các hệ thống khuấy, một trong những vấn đề được đặt ra là tiên đoán công suất khuấy tiêu tốn cho hệ thống

− Công suất khuấy P phụ thuộc nhiều yếu tố:

P = f(N,d,µ,ρ,D,H,Z,các kích thước khác)

Với:

• N: vận tốc của cánh khuấy (vòng/s)

• d: đường kính của cánh khuấy (m)

• Đặc tính của chất lỏng: độ nhớt µ và khối lượng riêng ρ.

• H: mức chất lỏng trong bình chứa (m)

• D: đường kính bình chứa (m)

• Các thừa số hình dạng khác (S1, S2 ): loại cánh khuấy, hình dáng của bình chứa, số tấm chắn

Bằng phương pháp phân tích thứ nguyên, người ta đã thiết lập được phương trình

chuẩn số tính công suất khuấy:

P = N p.N3.d5.ρ

Với:

• Np: chuẩn số công suất, phụ thuộc chế độ thủy động lực học của thiết bị:

, ) , (Re,Fr Ga f

N p =

ρ Re

2

d N

= : Chuẩn số Reynold của cánh khuấy, tỷ số giữa lực ly tâm & lực ma sát

•

g

d N

Fr = 2. : Chuẩn số Froude, tỷ số giữa lực ly tâm & gia tốc trọng trường, đặc trưng cho sự hình thành xoáy phễu

Vận tốc khuấy càng cao khả năng tạo xoáy phễu càng lớn, để khắc phục hiện tượng này, người ta bố trí những tấm chặn để ngăn cản sự tạo phễu, vì vậy hiệu suất khuấy tăng lên nhưng đồng thời công suất cánh khuấy cũng tăng lên do sức cản tăng

− Có 3 phương pháp xác định chuẩn số công suất Np:

 Xác định theo phương pháp giải tích

 Xác định theo phương trình chuẩn số

 Xác định theo phương pháp đồ thị (dùng giản đồ công suất)

♦ Cách xác định Np dựa vào giản đồ chuẩn số công suất: giữ cố định một trong hai thông số (giả sử là Re ở Re1)  làm thí nghiệm với các giá trị

Fr1, Fr2,… => NP tương ứng

Sau đó thay đổi Re đến Re2, Re3,… vàø cứ lặp lại quy trình

3.

Nguyên tắc khuếch đại đồng dạng:

− Hai hệ thống được gọi là đồng dạng hoàn toàn khi chúng thỏa mãn đồng thời :

• Đồng dạng hình học: đồng dạng về kích thước và tỉ lệ hình học

• Đồng dạng động học: đồng dạng hình học về đai lượng đặc trưng cho quỹ đạo chuyển đông ( vận tốc , gia tốc…)

• Đồng dạng động lực học: đồng dạng về giá trị lưc tác dụng

− Mô hình đồng dạng hoàn toàn đòi hỏi tất cả các chuẩn số vô thứ nguyên tương ứng bằng nhau

− Khi thiết kế hệ thống khuấy lớn cho công nghiệp, người ta thường tạo một mô hình nhỏ rồi vẽ giản đồ công suất của mô hình này Vì có đồng dạng hình học giữa hai hệ thống nhỏ và lớn nên giản đồ áp dụng được cho cả hai và có thể dùng để tiên đoán công suất cũng như cường độ khuấy trong nhà máy: đây là nguyên tắc khuếch đại đồng dạng

− Thực tế rất khó thực hiện mô hình đồng dạng hoàn toàn, nếu hai hệ thống lớn nhỏ gần đống dạng nhưng có vài dị biệt thì ta có thể dùng hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm

4.

Tiên đoán công suất cho các hệ thống thực:

− Khi cần thiết xây dựng một hệ thống khuấy trộn công nghiệp, người ta thường tạo những mô hình mẫu nhỏ rồi xây dựng giản đồ công suất cho các hệ thống này Mô hình mẫu phải đồng dạng với các mô hình thực tế và do đó, ta có thể dùng chung giản đồ công suất của mô hình nhỏ cho mô hình lớn Từ đó, ta có thể tiên đoán công suất khuấy trộn cần thiết

III PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM:

1.

Dụng cụ và thiết bị:

- 2 bình chứa dầu và nhớt

- 2 cánh khuấy turbine CT2 ( lớn ), CT3 và1 cánh khuấy chân vịt CP2

- 1 trục gắn cánh khuấy

- 1 bộ tấm chặn 4 tấm

- 1 động cơ ¼ mã lực có thể thay đổi được vận tốc từ 0 đến 1200 ( vòng/phút ) hay ( rpm ) bằng hộp số.Động cơ được đặt trên ổ bi

- 1 lực kế lò xo đo từ 0 đến 2 lbf

- 1 vận tốc kế có 3 thang đo hoạt động theo nguyên tắc điện từ ( 0-300 rpm, 0-600 rpm, 0-1200 rpm)

2.

Phương pháp thí nghiệm:

a) Phương pháp đo:

- Công suất khuấy:

• Khi cánh khuấy quay, lực ma sát truyền lên cánh khuấy và làm cho động cơ quay trên ổ bi Ta gắn lò xo lực kế vào động cơ để hãm nó lại, đọc số đo trên lực kế Số đo này chính là độ lớn của lực ma sát F giữa chất lỏng và cánh khuấy

• Công sinh ra khi điểm đặt lò xo chuyển động tương đối một khoảng ds:

Fds

dA=

• Khi chyển động trọn một vòng:

r F Fds A

r

π

π

2

2

0

=

= ∫

Với r là khoảng cách từ vị trí gắn lò xo đến trục động cơ Trong hệ thống thí nghiệm này, r = 5 inch

T

A

P = với

N

T = 1 : thời gian động cơ quay hết một vòng

Như vậy:

P =2π

- Vận tốc khuấy N:

Đọc trên vận tốc kế theo đơn vị vòng/phút ( rpm )

b) Cách tiến hành:

Thí nghiệm được thực hiện với 2 chất lỏng là nhớt và dầu Đối với nhớt, tiến hành lần lượt với cả 3 cánh khuấy, với dầu chỉ dùng cánh khuấy CT2 Ứng với mỗi cánh khuấy phải đo 2 chế độ: có và không có tấm chặn Vận tốc khuấy thay đổi từ 100 đến 1100 vòng/phút Với nhớt có thể chọn vận tốc 200, 400, 600, 800, 1000 Với dầu nên để 50, 400, 700, 900, 1100 Cụ thể như sau:

- Đầu tiên, kiểm tra dung cụ và các thiết bị thí nghiệm

- Lắp cánh khuấy vào hệ thống (khi lắp cần chú ý không để rơi xuống làm vỡ bình)

- Lắp tấm chặn nếu là chế độ có tấm chặn ( chú ý va chạm làm bể bình )

- Chỉnh lực kế lò xo về 0

- Bật động cơ (dùng tay giữ động cơ để cho lực ban đầu không làm động cơ xoay mạnh sẽ gây ra va chạm làm hư máy)

- Chỉnh hộp số vận tốc đến mức cần thiết

- Khi động cơ quay, lực ma sát truyền lên cánh khuấy làm cho động cơ quay trên ổ bi Ta gắn lò xo lực kế vào động cơ để hãm nó lại và đọc số đo trên lực kế

- Dùng tay giữ động cơ, tháo lò xo lực kế ra, tiếp tục thay đổi vận tốc bằng hộp số, móc lò xo lực kế vào và đọc số đo mới

 Các chú ý khi làm thí nghiệm:

 Không cho máy chạy quá 1100vòng/phút, máy sẽ rung, nguy hiểm

 Khi đọc vận tốc luôn thử để vận tốc ở thang 0 – 1200 rpm trước Nếu thấy chưa đủ chính xác thì mới giảm xuống thang đo nhỏ hơn Tránh để kim chỉ nhảy quá mức tối đa của thang đo

 Mỗi khi bật tắt động cơ hay thay đổi vận tốc khuấy, phải dùng tay giữ động

cơ để cho lực ban đầu không làm cho động cơ xoay mạnh sẽ gây va chạm và làm hư máy

 Khi tháo lắp cánh khuấy, trục khuấy và tấm chắn phải cẩn thận để tránh làm rơi xuống đáy bình làm vỡ bình chứa

 Trước khi dùng lực kế phải chỉnh về “0” (khi động cơ không hoạt động)

 Khi quay hộp số để chỉnh vận tốc, phải tháo rời lò xo ra khỏi động cơ

 Khi muốn tắt máy phải chỉnh vận tốc về “0” trước rồi mới tắt máy

IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM:

4 1 Kết quả TN:

Bảng số liệu thô

Chế độ khuấy N

(v/ph)

(v/ph )

F (lbf)

Không có tấm chặn

200 0.0300 0.0200 0.0300 50 0.0050

400 0.0400 0.0300 0.0400 400 0.0100

600 0.0800 0.0500 0.0600 700 0.0500

800 0.1200 0.0900 0.0700 900 0.0800

1000 0.1800 0.1000 0.1100 1100 0.1100 Có tấm chặn

200 0.0400 0.0400 0.0300 50 0.0050

400 0.0600 0.0500 0.0500 400 0.0150

600 0.0900 0.0700 0.0600 700 0.0600

800 0.1400 0.1000 0.0800 900 0.1600

1000 0.2000 0.1200 0.0900 1100 0.1800

Kết quả tính cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CT2

Chế độ

Không

tấm

chặn

200 3.3333 0.0300 0.1335 0.3551 181.4614 4.3796

400 6.6667 0.0400 0.1780 0.9469 362.9283 1.4598

600 10.0000 0.0800 0.3560 2.8408 544.3897 1.2976

800 13.3333 0.1200 0.5340 5.6815 725.8511 1.0949

1000 16.6667 0.1800 0.8010 10.6528 907.3180 1.0511

Chế độ

Có tấm

chặn

200 3.3333 0.0400 0.1780 0.4735 181.4614 5.8400

400 6.6667 0.0600 0.2670 1.4204 362.9283 2.1897

600 10.0000 0.0900 0.4005 3.1958 544.3897 1.4598

800 13.3333 0.1400 0.6230 6.6284 725.8511 1.2773

1000 16.6667 0.2000 0.8900 11.8365 907.3180 1.1678

Kết quả tính cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CT3

Chế độ

Không tấm

chặn

200 3.3333 0.0200 0.0890 0.2367 126.0149 7.2642

400 6.6667 0.0300 0.1335 0.7102 252.0335 2.7244

600 10.0000 0.0500 0.2225 1.7755 378.0484 2.0181

800 13.3333 0.0900 0.4005 4.2611 504.0637 2.0433

1000 16.6667 0.1000 0.4450 5.9182 630.0819 1.4530

Kết quả tính cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CP2

Chế độ

Có tấm

chặn

200 3.3333 0.0400 0.1780 0.4735 126.0149 14.5316

400 6.6667 0.0500 0.2225 1.1837 252.0335 4.5407

600 10.0000 0.0700 0.3115 2.4857 378.0484 2.8253

800 13.3333 0.1000 0 4450 4.7346 504.0637 2.2703

1000 16.6667 0.1200 0.5340 7.1019 630.0819 1.7436

Chế độ

Có tấm chặn

200 3.3333 0.0300 0.1335 0.3551 181.4614 4.3796

400 6.6667 0.0500 0.2225 1.1837 362.9283 1.8248

600 10.0000 0.0600 0.2670 2.1306 544.3897 0.9732

800 13.3333 0.0800 0.3560 3.7877 725.8511 0.7299

1000 16.6667 0.0900 0.4005 5.3264 907.3180 0.5255

Kết quả tính cho trường hợp khuấy dầu bằng cánh khuấy CT2

4.2 Vẽ đồ thị

Giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CT2

Chế độ

Không tấm

chặn

200 3.3333 0.0300 0.1335 0.3551 181.4614 4.3796

400 6.6667 0.0400 0.1780 0.9469 362.9283 1.4598

600 10.0000 0.0600 0.2670 2.1306 544.3897 0.9732

800 13.3333 0.0700 0.3115 3.3142 725.8511 0.6387

1000 16.6667 0.1100 0.4895 6.5101 907.3180 0.6423

Chế độ

Không tấm

chặn

50 0.8333 0.0050 0.0223 0.0148 75.7650 12.2648

400 6.6667 0.0100 0.0445 0.2367 606.1473 0.3831

700 11.6667 0.0500 0.2225 2.0714 1060.7555 0.6255

900 15.0000 0.0800 0.3560 4.2611 1363.8246 0.6054

1100 18.3333 0.1100 0.4895 7.1611 1666.8937 0.5573

Chế độ

khuấy

Có tấm

chặn

50 0.8333 0.0050 0.0223 0.0148 75.7650 12.2648

400 6.6667 0.0150 0.0668 0.3554 606.1473 0.5752

700 11.6667 0.0600 0.2670 2.4856 1060.7555 0.7506

900 15.0000 0.1600 0.7120 8.5222 1363.8246 1.2108

1100 18.3333 0.1800 0.80100 11.7181 1666.8937 0.9119

1

2

3

4

5

6

7

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Re

khong tam chan

Giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CT3

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Re

khong tam chan

Giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CP2

1

2

3

4

5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Re

co tam chan khong tam chan

Giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp khuấy dầu bằng cánh khuấy CT2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Re

co tam chan khong tam chan

4.3.

Tiên đoán công suất khuấy bồn nhớt 50m3 :

− Chọn cánh khuấy CT2 (D=0.076m) dùng khuấy nhớt trong trường hợp không tấm chặn

− Giả sử:

 Bồn nhớt cần khuấy có đường kính D/

 Chiều cao mực nhớt H/

 Bình nhớt trong thí nghiệm có: Dường kính D = 25,5cm

 Chiều cao mực nhớt H = 26.5cm

 Do bồn nhớt lớn đồng dạng với bình nhớt thí nghiệm nên ta có

/

/

D

H =

D

H

= 5 25

5 26 ⇒ H/ =

5 25

5 26

D/

 Thể tích bồn chứa (coi là thể tích phần nhớt)

V/ = H/

4

2 /

D

Π =

4

* 5 25

5

26 ΠD/ 3

⇒ D/ = 3

/

5 26

5 25

* 4

ΠV (Với V/ = 50m3) = 3.94m

 Chọn cánh khuấy CT2 , không có tấm chặn

//

D d =

D d

⇒ Đường kính cánh khuấy cần dùng

d/ =

D

d

D/ =

255 0

0762 0

* 3.94 = 1.18m

 Chọn các vận tốc khuấy N , ta tính được Re/ theo công thức:

Re/ =

n n

N d

µ

ρ

/ 2 /

(N’ vòng/s)

 Tra giản đồ Np – Re của nhớt, cánh khuấy CT2 không có tấm chặn  tìm được các chuẩn số công suất N/p tương ứng => công suất khuấy P/ theo công thức

P = N’p.N’3d’5ρn (W) với N’: vòng/s

Kết quả:

Chế độ khuấy Cánh

Vận tốc khuấy (vòng/s

Công suất khuấy P(W)

Không

tấm

chặn CT 2

GIẢN ĐỒ CÔNG SUẤT THEO VẬN TỐC

V

/ BÀN LUẬN:

1) Nhận xét ảnh hưởng của tấm chặn với công suất khuấy:

− Khi lực ly tâm nhỏ, công suất khuấy lúc không có tấm chặn đạt giá trị gần như khi có tấm chặn vì ứng với giá trị lực ly tâm nhỏ ảnh hưởng của lực này chưa đáng

kể  xoáy lốc chưa xuất hiện và dòng lưu chất chuyển động không có tương tác nhiều với cánh khuấy và tấm chắn Lực ma sát tác dụng lên cánh khuấy trong cả hai trường hợp này xấp xỉ nhau

− Khi lực ly tâm lớn và không có tấm chặn sẽ xuất hiện xoáy lốc (do sự cân bằng

giữa lực ly tâm trở nên đáng kể với trọng lực ø tạo nên chuyển động xoay tròn của lưu chất) khi khuấy trộn ở vận tốc cao làm tiêu tốn một phần năng lượng, quá trình tạo bọt cũng làm hao phí thêm năng lượng  mất mát một phần khả năng khuấy trộn của hệ thống

=> Để khắc phục sự tạo thành các xoáy lốc khi khuấy trộn ở vận tốc cao người ta lắp thêm các tấm chặn vì:

- Khi có thêm các tấm chặn, chất lỏng ngoài tiếp xúc với diện tích của bình còn tiếp xúc diện tích của các tấm chặn (va đập vào và chuyển động dọc theo các biên của chúng)  làm tăng thể tích tiếp xúc  tăng lực ma sát Vì trong bài ta xác định công suất khuấy dựa trên lực ma sát truyền lên trục của động cơ và làm động cơ quay trên ổ bi  công suất khuấy tăng

Vậy khi có tấm chặn công suất khuấy sẽ cao hơn so với khi không có tấm chặn

2) Nhận xét sự tiêu thụ năng lượng đối với từng loại cánh khuấy:

− Năng lượng tiêu hao của từng loại cánh khuấy khác nhau là khác nhau

Cánh khuấy chân vịt tiêu hao năng lượng ít hơn cánh khuấy tuabin

− Giải thích:

 Cánh khuấy kiểu tuabin có bề mặt chịu áp lực vuông góc với phương của dòng lưu chất  chịu sức ép trực diện của lưu chất  lực cản lớn

 Cánh khuấy chân vịt, dòng lưu chấtõ trượt đi một phần  lực cản tác dụng của nó cũng giảm đi

=> Để tính công suất khuấy ta dựa trên giá trị lực ma sát giữa lưu chất với cánh khuấy  cánh khuấy chịu tác dụng của lưu chất nhiều sẽ là cánh khuấy tiêu thụ nhiều năng lượng

− Cùng loại một cánh khuấy kiểu tuabin thì cỡ 3” tiêu thụ nhiều năng lượng hơn cỡ 2,5”

− Giải thích:

Khi quay trong chất lỏng, cánh khuấy sẽ chịu áp lực do dòng chất lỏng tác dụng lên Vì vậy cánh khuấy càng lớn sẽ có bề mặt chịu tác dụng lực càng lớn và do đó sẽ sử dụng càng nhiều năng lượng

3) Giải thích lý do chọn khoảng cách giữa các vận tốc trong trường hợp khuấy dầu lớn hơn khuấy nhớt:

Để khảo sát giản đồ chuẩn số công suất khuấy ta tính công suất khuấy ứng với các vận tốc khác nhau  cần đo lực ma sát của chất lỏng tác dụng lên cánh khuấy, lực cản này phụ thuộc vào vận tốc chất lỏng và độ nhớt chất lỏng

Độ nhớt của dầu µdầu = 51,84cP ; nhớt µnhớt = 90,89cP

 Cùng một tốc độ quay, lực ma sát giữa dầu với cánh khuấy < lực ma sát giữa nhớt với cánh khuấy

Vì vậy:

− Vận tốc cánh khuấy khi khuấy dầu phải thay đổi một giá trị đủ lớn (50, 400, 700,

900 và 1100 vòng/phút) mơiù thấy được sự thay đổi của các giá trị lực ma sát, nhờ đó

ta mới có thể khảo sát thấy sự thay đổi của lực ma sát

− Trường hợp chất lỏng là nhớt, chỉ cần thay đổi một khoảng nhỏ vận tốc (200, 400,

600, 800 và 1000 vòng/phút) là đã thấy sự thay đổi của lực ma sát

4)

Trong trường hợp nào thì có xoáy phễu?