Thí nghiệm quá trình thiết bị chương 1

− Xem xét sự phụ thuộc của công suất khuấy trộn đối với các đại lượng : đặc tính chất lỏng, hình dạng cánh khuáy, chế độ khuấy.... 2 Tiến hành thí nghiệm : Thiết lập các hệ thống khuấy k

I/ TRÍCH YẾU

1) Mục đích:

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

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

2) Tiến hành thí nghiệm :

Thiết lập các hệ thống khuấy khác nhau về

− loại cánh khuấy

− chế độ khuấy(có và không có tấm chặn),

− chất lỏng có độ nhớt và khối lượng riêng khác nhau

− Vận tốc khuấy

 Với 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 :

− Mỗi thí nghiệm, từ các cặp số liệu (N, Ff) đo được  tính được các chuẩn số Re, Fr  tính được huẩn số công suất khuấy P0

− Tiếp đó, ta xây dựng giản đồ công suất khuấy đối với mỗi loại cánh khuấy ứng với các chế độ khuấy và chất lỏng khuấy

− Mục đích : đánh giá sự khác nhau về công suất khuấy ở mỗi chế độ khuấy (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

• Rút ra nhận xét và bàn luận

II/ LÝ THUYẾT

a)Khái niệm khuấy

− Khuấy là quá trình làm giảm sự không đồng nhất trong chất lỏng Đó là sự chênh lệch về nồng độ, độ nhớt, nhiệt độ… ở những vị trí khác nhau trong lòng chất lỏng

b) Xác định công suất cánh khuấy P:

− Công suất khuấy P phụ thuộc nhiều yếu tố được biễu như sau:

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

Với:

• Vận tốc của cánh khuấy N (vòng/s)

• Đường kính của cánh khuấy d (m)

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

• Mức chất lỏng trong bình chứa H (m)

• Đường kính bình chứa Dt (m) và nhiều thừa số hình dạng khác (S1, S2 ) như loại cánh khuấy, hình dáng của bình chứa, số tấm chắn

 Bằng phương pháp phân tích thứ nguyên, người ta thiết lập các phương trình

chuẩn số tính công suất khuấy dưới dạng:

P= N p.N3.d5.ρ

Trong đó

Np là 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 & lực trọng trường, đặc trưng cho sự hình thành xoáy phễu

Có 3 phương pháp xác định chuẩn số công suất N p

− Xác định Np theo phương pháp giải tích

− Xác định Np theo phương trình chuẩn số

− Xác định Np theo đồ thị (dùng giản đồ công suất)

 Cách xác định Np dựa vào giản đồ chuẩnsố 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

 Ta có thể dùng một mặt phẳng 3 chiều Re – Fr - NP để mô tả mối quan hệ Re – Fr

- NP

Từ giản đồ 3 chiều , ta có thể quy về giản đồ 2 chiều biểu thị mối quan hệ giữa NP và

Re, bỏ qua ảnh hưởng của Fr ( do đa số hệ thống thực, Fr không phải là yếu tố ảnh

hưởng quyết định lên NP Fr thường chỉ tính đến khi mặt thoáng chất lỏng không còn ở dạng phẳng do ảnh hưởng của tốc độ quay

c) 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 vôthứ 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 được cho cả haivà 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:

- 2 bình chứa dầu và nhớt

- 2 cánh khuấy turbine CT2, CT3 và một 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(rpm) bằng hộ số.Động cơ được đặt trwn ổ bi

- 1 lực kế lò xo đo từ 0 đến 2 lbf

2)Phương pháp đo:

Nguyên tắc :

− Khi cánh khuấy đang quay, lực ma sát truyền lên trục của động cơ và làm cho động cơ quay trên ổ bi Gắn lực kế lò xo vào động cơ để hãm nó lại thì sức căng của lò xo ứng với lực ma sát F giữa chất lỏng và cánh khuấy

− Từ đó tính được công suất khuấy :

P = 2π.F r N

Với:

R:khoảng cách từ vị trí gắn ló xo đến trục động cơ (trong bài r=5inch)

F : lực ma sát giữa chất lỏng và cánh khuấy

Vận tốc khuấy N: đọc thẳng trên vận tốc kế bằng đơn vị vòng/phút (rpm) 3) Chú ý khi thao tác :

− Không cho máy chạy quá 1000vòng/phút, máy sẽ rung, nguy hiểm

− Vận tốc kế phải điều chỉnh ở thang đo thích hợp để tránh hư hỏng vận tốc kế

− Khi bật tắt động cơ hoặc thay đổi vận tốc khuấy, phải luôn giữ động cơ để tránh làm động cơ xoay mạnh, gây va chạm và hư máy

− Khi thao tác tháo, lắp 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

5) Cách tiến hành :

− Thí nghiệm thực hiện với hai chất lỏng:ø nhớt và dầu

− Đối với nhớt:tiến hành với cả ba cánh khuấy CT2, CT3, CP2 và 5 chế độ vận tốc 200, 400, 600, 800, 1000 rpm

− với dầu chỉ dùng cánh khuấy CT2 , 5 chế độ vận tốc 50, 400, 700, 900, 1100 rpm

− Ứng với mỗi cah1 khuấy đo hai chế độ: có và không có tấm chặn.Vận tốc khuấy thay đổi từ 100-1100 rpm

− Trình tự tiến hành:

− Kiểm tra hệ thống

− Dời bình khuấy vào vị trí khuấy

− Lắp trục cánh khuấy vào máy khuấy

− Lắp tấm chặn ( tuỳ yêu cầu bài thí nghiệm)

− Bật cầu dao, chỉnh thang đo vận tốc bằng núm vặn

− Trả lưu kế và vận tốc kế về 0

− Bật máy , dùng tay giữ động cơ

− Chỉnh vận tốc bằng hộp số(quan sát giá trị vận tốc trên kim đồng hồ )

− Móc lò xo vào lực kế Thả tay giữ máy ra , đọc giá trị ghi trên lực kế

− Chuyển sang vận tốc khác : dùng tay giữ máy , tháo lò xo ra, điều chỉnh lực kế vê 0 ,điều chỉnh vận tốc tiếp thheo

− Kết thúc thí nghiệm: tháo lò xo ra , trả vận tốc kế về 0 , tắt máy , tắt cầu dao

IV/ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

4.1 Kết quả TN

Kết quả tính cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T2

Chế độ

khuấy

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

Kết quả tính cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T3

Chế độ

khuấy

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 C P2

Chế độ

khuấy

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

Chế độ

khuấy

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

Chế độ

khuấy

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

khuấy

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

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

Kết quả tính cho trường hợp khuấy dầu bằng cánh khuấy C T2

Chế độ

khuấy

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

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

4.2/ VẼ ĐỒ THỊ

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

0

1

2

3

4

5

6

7

Re

khong tam chan

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

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Re

khong tam chan

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

0

1

2

3

4

5

Re

co tam chan khong tam chan

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

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Re

co tam chan khong tam chan

V/ TÍNH TOÁN

Các thông số cần thiết:

- Đường kính bình nhớt DN = 25.5cm

- Đường kính cánh khuấy: CT2 : d = 3 inch; CT3 : d = 2,5 inch; CP2 : d = 3 inch

- Khối lượng riêng của nhớt và dầu lần lượt là:

ρN =852,15kg/m3, ρd =811,75kg/m3

- Độ nhớt của nhớt và dầu lần lượt là: µN =90,89cp,µd =51,84cp

- Chiều cao mực chất lỏng: nhớt :HN = 26.5cm

1) Đổi dơn vị tính :

- 1 mã lực (HP) = 735,6 W

- 1 lbf = 4,45 N

- 1 inch = 0,0254 m

- 1vòng/phút = 1/60 vòng/s

2) Các chuẩn số :

- Chuẩn số công suất P0 = N d3 5P

ρ

- Chuẩn số Reynolds của cánh khuấy Re= d N2 ρ

µ

- Chuẩn số Froude Fr N d

g

Trong đó :

• P : Công suất khuấy (W)

• N : Vận tốc cánh khuấy (1/séc)

• d : Đường kính cánh khuấy (m)

• ρ : Khối lượng riêng của chất lỏng khuấy (kg/m3)

• : Độ nhớt động lực học chất lỏng khuấy (N/s.m)

3) Tiên đoán công suất khuấy bồn nhớt 50m3 :

- Chọn cánh khuấy CT2 (D=0.076m) dùng kguấy 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 / = 4*25.5V (Với V/ / = 50m3)

/

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

Re

khuấy P(W)

Không

tấm

chặn CT 2

GIẢN ĐỒ CÔNG SUẤT THEO VẬN TỐC

V/ BÀN LUẬN:

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 chắn sẽ xuất hiện xoáy lốc (do sự cân bằng

giữa lực ly tâm đã trở nên đáng kể với trọng lực ø tạo nên chuyển động xoay tròn của lưu chất) khi khuấy trộn ở vận tốc cao 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 ta lắp thêm các tấm chặn vì

- Khi có thêm các tấm chắn, chất l ỏng ngoài diện tích tiếp xúc 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  lực ma sát sẽ tăng và do trong bài 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 thì công suất khuấy sẽ cao hơn so với khi không có tấm chặn

 Thực tế trong thí nghiệm:

• Trường hợp cánh khuấy C T2 :

- Khuấy dầu: Khi vận tốc khuấy nhỏ, công suất khuấy khi có tấm chặn bằng với khi không có tấm chặn còn khi vận tốc khuấy lớn (≥400rpm) thì công suất khuấy khi có tấm chặn lớn hơn không có tấm chặn

- Khuấy nhớt : trong mọi vận tốc khảo sát, công suất khuấy khi có tấm chặn luôn lớn hơn khi không có tấm chặn  đúng với lý thuyết

• Trường hợp cánh khuấy C T3: trong mọi vận tốc khảo sát, công suất khuấy khi có tấm chặn luôn lớn hơn khi không có tấm chặn  đúng

với lý thuyết

• Trường hợp cánh khuấy C P2: ở vận tốc (200-400rpm) công suất khi có tấm chặn bằng với công suất khi không có tâm chặn,các trường hợp còn lại thì lớn hơn

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

• 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

• 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

Câu 4 : Trong trường hợp nào thì có xoáy phễu?

- Chất lỏng khi chuyển động trong thùng khuấy chịu tác dụng của trường lực ly tâm cánh khuấy, cho nên bề mặt thoáng chất lỏng trong thiết bị từ phẳng chuyển thành parabol mà đáy của nó tại tâm (như hình vẽ) Hiện tượng này gọi là sự tạo phễu trong thiết bị khuấy

- Khi Rek > 300 lưu chất ở chế độ chảy xoáy và xuất hiện xoáy phễu

Xoáy phễu là có hại vì: