nghiên cứu trường vận tôc dòng chảy trong bánh công tác máy bơm bùn

mô phỏng dòng trường vận tốc dòng chất lỏng trong máy bơm bùn.Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là:Mô phỏng trường vận tốc của dòng chất lỏng (dòng 2 pha) trong bánh công tác máy bơm bùn.Đánh giá những tác động mà dòng chất lỏng tác động vào bánh công tác máy bơm bùn.Cho nên các nội dung sẽ được đề cập trong nghiên cứu này của tôi gồm:Tìm hiểm tổng quan về lý thuyết về bơm ly tâm, bơm bùn, trường vận tốc của dòng chất lỏng.Thiết kế một bánh công tác với các số liệu và các giả thiết cho trước.Mô phỏng trường vận tốc của dòng chất lỏng (dòng 2 pha) trong bánh công tác máy bơm bùn.Đánh giá nhận xét kết quả thu được từ quá trình mô phỏng dòng chất lỏng và có thể đánh giá những tác động của nó vào bánh công tác máy bơm bùn.CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BƠM LY TÂM VÀ BƠM BÙN.CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BÁNH CÔNG TÁC MÁY BƠM LY TÂM BƠM BÙNCHƯƠNG III: THỰC HIỆN MÔ PHỎNG DÒNG CHẤT LỎNG HAI PHA TRONG BÁNH CÔNG TÁC BƠM BÙN BẰNG PHẦN MỀM ANSYSCHƯƠNG IV: KẾT LUẬN

Mục Lục

LỜI MỞ ĐẦU:

Trong quá trình thiết kế, lắp đặt và vận hành máy bơm có rất nhiều yếu tố tácđộng làm giảm hiểu quả sử dụng của máy bơm như: giảm cột áp, giảm lưu lượng, tăngtổn thất thủy lực, gây nên hiện tượng xâm thực trong máy bơm, gây mòn bánh côngtác, làm giảm tuổi thọ và tính kinh tế của máy Đặc biệt với điều kiện làm việc khắcnghiệt cùng với dòng chất lỏng 2 pha của máy bơm bùn thì càng ảnh hưởng nghiêmtrọng hơn tới hiệu suất và các thông số khác của máy bơm bùn so với các loại bơmthông thường khác

Khi nghiên cứu trường vận tốc của dòng chất lỏng trong bánh công tác máybơm bùn ta có thể khái quát được các trường hợp khác nhau của dòng chất lỏng trongcác điều kiện làm việc khác nhau của máy bơm bùn Biết được các tác động của dòngchất lỏng tới bánh công tác và các chi tiết khác của máy bơm, chính vì thế ta có thểthay đổi các thông số, các điều kiện làm việc của bơm để nâng cao nâng suất và hiệuquả làm việc của bơm bùn

Vì những lý do trên mà đề tài “ Nghiên cứu trường vận tốc dòng chảy trong bánh công tác máy bơm bùn” đã được chọn làm đề tài đồ án tốt nghiệp ra trường của

tôi

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là:

 Mô phỏng trường vận tốc của dòng chất lỏng (dòng 2 pha) trong bánh công tác máybơm bùn

 Đánh giá những tác động mà dòng chất lỏng tác động vào bánh công tác máy bơmbùn

Cho nên các nội dung sẽ được đề cập trong nghiên cứu này của tôi gồm:

 Tìm hiểm tổng quan về lý thuyết về bơm ly tâm, bơm bùn, trường vận tốc của dòngchất lỏng

 Thiết kế một bánh công tác với các số liệu và các giả thiết cho trước

 Mô phỏng trường vận tốc của dòng chất lỏng (dòng 2 pha) trong bánh công tác máybơm bùn

 Đánh giá nhận xét kết quả thu được từ quá trình mô phỏng dòng chất lỏng và có thểđánh giá những tác động của nó vào bánh công tác máy bơm bùn.

Cuối cùng để hoàn thành tốt đồ án này em xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới

thầy T.S Nguyễn Anh Tuấn là người thầy đã động viên giúp đỡ em nhiều về mặt tinh

thần cũng như kiến thức chuyên môn để em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp ngày hôm

nay Ngoài ra em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Th.S Nguyễn Ngọc Minh đã tận tình

giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Cuối cùng em xin cảm ơn các thầy cô trong

bộ môn cũng như các thầy cô trong khoa Cơ Khí đã cho em kiến thức chuyên ngành

và kinh nghiệm quý báu cùng với sự nỗ lực bản thân để hoàn thành tốt đồ án tốtnghiệp hôm nay

Một lần nữa em xin cảm ơn !

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đức Huy

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BƠM LY TÂM VÀ BƠM BÙN.

1.1 Tổng quan về bơm ly tâm.

1.1.1 Khái nệm, cấu tạo và phân loại bơm ly tâm

1.1.1.1 Khái niệm bơm ly tâm.

Cách đây rất lâu đã xuất hiện những thiết bị thô sơ phục vụ cho nhu cầu tướitiêu cho nông nghiệp, lấy nước cho sinh hoạt như gầu với đối trọng kiểu cần vọt ởgiếng, bánh xe nước có gắn các gầu Và trong một thời gian dài, người ta chỉ dùngbơm để hút nước, vận chuyển nước từ thấp lên cao để phục vụ cho nhu cầu của họ.Nhưng ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì phạm vi sử dụng của bơmđược mở rộng rất nhiều Bơm không còn chỉ vận chuyển nước nữa mà còn được sửdụng để vận chuyển dầu, quặng, các hỗn hợp nhiều pha khác nhau… và ngoài ra cònđược sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như trong dân dụng, nông nghiệp,công nghiệp hóa chất, dầu mỏ, trong tàu thủy …

Đã có rất nhiều nghiên cứu cũng như định nghĩa về bơm khác nhau, nhưng địnhnghĩa có thể coi là đúng nhất về bơm đó là:

“ Bơm là loại máy thủy lực biến đổi cơ năng của động cơ thành năng lượng để vậnchuyển dòng chất lỏng lên cao, đi xa hoặc tạo nên áp suất cần thiết trong hệ thốngtruyền dẫn thủy lực.”

“ Bơm ly tâm là loại bơm cánh dẫn với dòng chất lỏng có hướng ra xa trục của bơm”Năng lượng chủ yếu trong bơm là động năng, thế năng và áp năng Sự chuyển độngcủa động cơ làm quay hệ thống bánh công tác và làm dịch chuyển các chất lỏng tiếpxúc với bánh công tác và từ đó chuyển đổi năng lượng cơ học của động cơ thành độngnăng của dòng chất lỏng

1.1.1.2 Cấu tạo bơm ly tâm.

Xét sơ đồ kết cấu của một máy bơm ly tâm đơn giản trên hình 1.1 sau đây, tathấy bơm ly tâm gồm có các bộ phận chủ yếu sau :

hình 1.1: sơ đồ cấu tạo máy bơm ly tâm (1 ,4– đĩa sau,2 – Trục,3 – Đĩa trước, 5

– Cánh bánh công tác, 6 – Buồng xoắn, 7 – Ống hút, 8 – Ống dẩy)

- Bánh công tác: bánh công tác kết cấu có 3 dạng chính là cánh mở hoàn toàn, mở mộtphần và cánh kín Bánh công tác được lắp trên trục của bơm cùng với các chi tiết khác

cố định với trục tạo nên phần quay của bơm gọi là Rôto Bánh công tác được đúc bằnggang hoặc thép theo phương pháp đúc chính xác Các bề mặt cánh dẫn và đĩa bánhcông tác yêu cầu có độ nhẵn tương đối cao để giảm tổn thất Bánh công tác và Rôtocủa bơm đều phải được cân bằng tĩnh và cân bằng động để khi làm việc bánh công táckhông cọ xát vào thân bơm

hình 1.2: một số loại bánh công tác máy bơm ly tâm.

- Trục bơm: thường được chế tạo bằng thép hợp kim và một đầu được lắp với bánh côngtác thông qua mối ghép then hoặc bulông, một đầu được lắp với trục động cơ qua khớpnối Trục và bánh công tác lắp trên trục tạo thành rôto của bơm

- Bộ phận dẫn hướng vào: thường được chế tạo liền với nắp bơm, loại bơm 1 cấp ốngdẫn dòng vào thường có dạng hình côn Vận tốc của dòng chất lỏng tăng dần từ ốnghút đến lối vào của bơm đảm bảo cho vận tốc dòng chất lỏng phân bố đề theo tiết diện

và đối xứng qua trục ở trước lối vào của bánh công tác Ở bơm nhiều cấp thì bộ phậnđẫn dòng vào có dạng nữa xoắn

- Bộ phận dẫn hướng ra: (buồng xoắn ốc) được đúc bằng gang có hình dạng tương đốiphức tạp và được thiết kế có hình dạng phù hợp với đường dòng của chất lỏng khi rakhỏi bánh công tác Buồng xoắn có nhiệm vụ dẫn chất lỏng sau khi ra khỏi bánh côngtác vào ống đẩy sao cho tổn thất thủy lực là nhỏ nhất

- Ống hút và ống đẩy : Hai loại ống này có thể làm bằng gang đúc, tôn hàn hoặc cao su

và cũng có nhiệm vụ là dẫn chất lỏng vào và ra máy sao cho tổn thất sinh ra trongchuyển động của dòng chất lỏng là nhỏ nhất

1.1.1.3 Phân loại bơm ly tâm.

 Theo số bánh công tác lắp nối tiếp trên trục

- Bơm ly tâm một cấp: có một bánh công tác lắp trên trục và thông thường có cột áp H ≤100m cột nước

hình 1.3: bơm ly tâm một cấp

- Bơm ly tâm nhiều cấp có nhiều bánh công tác lắp nối tiếp trên cùng một trục, số cấp từ2÷8 cấp Trong trường hợp đặc biệt có thể lên tới 18 cấp Trong bơm ly tâm nhiều cấpdòng chất lỏng nối tiếp chuyển động qua tất cả các bánh công tác Cột áp của bơmbằng tổng cột áp của tất cả các bánh công tác

hình 1.4 bơm ly tâm

nhiều cấp

 Theo số dòng chất lỏng qua bánh công tác

- Bơm ly tâm một miệng hút: chỉ có một dòng chất lỏng chảy qua bánh công tác

- Bơm lý tâm hai miệng hút: hai

dòng chát lỏng chảy qua bánh

công tác Bánh công tác của

bơm hai miệng hút có thể coi

như hai bánh công tác làm việc

song song với nhau và được lắp

đối xứng với nhau trên cùng

một trục Lưu lượng của bơm

bằng tổng lưu lượng của 2

bánh công tác, cột áp của bơm

bằng cột áp của mỗi bánh công tác Hình 1.5 bơm ly tâm 2 miệng hút

 Phân loại theo cột áp

- Bơm ly tâm cột áp thấp: H= (5÷40) m cột nước

- Bơm ly tâm cột áp trung bình: H= (40÷200) m cột nước

- Bơm ly tâm cột áp cao: H ≥ 200 m cột nước

 phân loại theo lưu lượng

- bơm ly tâm lưu lượng nhỏ

- bơm ly tâm lưu lượng trung bình.

- bơm ly tâm lưu lượng lớn

 phân loại theo vị trí của trục bơm

- bơm trục ngang

- bơm trục đứng

Ngoài các cách phân loại này ra thì còn rất nhiều các cách phân loại khác nhưtheo kết cấu võ bơm, theo phương pháp nối trục, theo phương pháp dẫn dòng vào vàdẫn dòng ra khỏi bánh công tác, theo dạng chất lỏng vận chuyển…

1.1.2 Nguyên lý hoạt động và phạm vi sử dụng.

Do bơm ly tâm là một loại bơm cánh dẫn nên nó cũng có nguyên lý hoạt độngnhư bơm cánh dẫn Nguyên lý tác dụng của máy bơm cánh dẫn là sự tác dụng tương

hỗ giữa các cánh dẫn với dòng chất lỏng chảy bao quanh cánh

Khi bánh công tác quay, các cánh dẫn tác động lên dòng chảy và truyền cơ năngcho dòng chảy Các phần tử của chất lỏng ở trong bánh công tác dưới ảnh hưởng củalực ly tâm bị dồn từ trong ra ngoài, chuyển động theo các máng dẫn và đi vào ống đẩyvới áp suất cao hơn, quá trình này gọi là quá trình đẩy của bơm Đồng thời ở lối vàocủa bánh công tác tạo nên một vùng chân không và dưới tác dụng của áp suất trong bểchứa lớn hơn áp suất lối vào của bơm, chất lỏng ở bể hút liên tục bị đẩy vào bơm theoống hút Đó là quá trình hút của bơm Quá trình hút và đẩy của bơm là quá trình liêntục tạo nên dòng chảy qua bơm

Trong bánh công tác của máy bơm, động năng của dòng chất lỏng thay đổi rấtlớn Ở bộ phận dẫn dòng ra, một phần động năng được biến thành áp năng để hạn chếtổn thất của dòng chất lỏng khi vận chuyển trong đường ống

Trong bánh công tác của bơm ly tâm, dòng chất lỏng chảy bao quanh cánh dẫnchuyển động ly tâm theo phương hướng kính do đó lợi dụng được công của lực ly tâm

và khi bơm làm việc ổn định, bánh công tác của chúng quay với vận tốc không đổidòng chất lỏng trong máng dẫn của bánh công tác cũng như buồng lưu thông luônchuyển động ổn định Vì vậy vận tốc quay của bánh công tác có thể tăng tới giá trị rấtlớn

Máy bơm nói chung và bơm ly tâm nói riêng có rất nhiều ứng dụng trong nềnkinh tế quốc dân, trong nông nghiệp, công nghiệp cũng như đời sống Bơm ly tâm sử

dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống hàng ngày vì có ưu điểm: chạy êm, lưulượng điều hòa, vận tốc quay lớn, nối trục tiếp với động cơ điện, loại bỏ cơ cấu biêntay quay, xupap, bầu khí,… nền móng nhẹ không chiếm nhiều diện tích; có thể điềuchỉnh rộng rãi, rẻ tiền, vận hành đơn giản, cấu tạo không phức tạp, có thể bơm chấtlỏng đặc, hiệu suất cao,…

Nhưng nó vẫn còn các nhược điểm như: phải có bộ phận mồi nước, không nêntạo ra áp suất quá 7 at, hiệu suất của bơm có công suất nhỏ không lớn lắm, năng suấtphụ thuộc vào chiều cao H,…

Máy bơm có rất nhiều loại khác nhau, chúng được dùng để vận chuyển mọi loạichất lỏng như chất lỏng đặc, chất lỏng có độ nhớt lớn, chất lỏng nóng, chất lỏng dễ bayhơi…., kể cả hỗn hợp nước với chất rắn Trong các loại bơm thì thì bơm ly tâm là loạimáy được sử dụng phổ biến nhất

Trong công nghiệp, máy bơm ly tâm được dùng để cấp nước cho các nhu cầu

kỹ thuật của nhà máy như cấp nước nồi hơi trong các nhà máy nhiệt điện, cấp nướccho các hệ thống là mát và nhu cầu vệ sinh khu công nghiệp

Máy bơm ly tâm còn được dùng trong công nghiệp khai thác mỏ và xây dựng

để hát các hỗn hợp nước với đất và vận chuyển hỗn hợp bùn quặng

Trong công nghiệp dầu mỏ, máy bơm ly tâm dùng để hút dầu từ giếng và vẩnchuyển các sản phẩm của dầu mỏ Ngày nay việc vận chuyển dầu mỏ theo đường ốngđược sử dụng khá phổ biến với khoảng cách rất xa đến hàng nghìn km Thực tế tínhtoán và sử dụng cho thấy rằng việc vận chuyển theo đường ống kinh tế hơn rất nhiều

so với các phương tiện vẩn chuyển khác Do hiểu quả kinh tế cao của việc vận chuyểntheo đường ống nên người ta đang nghiên cứu sử dụng đường ống để vận chuyển cácloại nguyên liệu hạt rời và các hàng hóa khác

Trong công nghiệp hóa chất, máy bơm ly tâm cũng được ứng dụng rộng rãi đểvận chuyển các dung dịch hóa chất như axit, kiềm, muối … Trong công nghiệp và đờisống, máy bơm ly tâm được dùng để tười tiêu, cung cấp nhu cầu nước trong sinhhoạt…

1.2 Bơm bùn và chất lỏng vận chuyển.

1.2.1 Bơm bùn.

Định nghĩa: Bơm hút bùn ly tâm là loại bơm cánh dẫn dùng để vận chuyển hỗnhợp nước và bùn đất Nó được sử dụng trong các nhà máy hút bùn dùng trong công tácnạo vét kênh mương

Vì bơm bùn dùng để vận chuyển dòng chất lỏng 2 pha có tính chất đặc thù riêngbiệt nên bơm cũng có các đặc diểm riêng để có thể đáp ứng được yêu cầu vận hành và

Thông thường, trong bơm bùn chúng ta sử dụng 02 loại cánh chính là cánh ráphoặc cánh trơn Cánh ráp hiệu quả hơn trong việc thay đổi năng lượng nên nó được sửdụng khi hiệu suất được chú trọng hàng đầu, mặc dù với bánh công tác rộng thì ítthuận lợi hơn Hạn chế của cánh ráp là phức tạp khi chế tạo và cũng bị mòn nhiều hơnkhi bơm dung dịch bùn có hạt thô Vì vậy, khi bơm các hạt thô thì sử dụng cánh trơn

Độ dày của cánh thường gây ra những hạn chế cho tuổi thọ của bộ phận chốngmài mòn Thông thường, trên thực tế số cánh tối đa là 5, được sử dụng cho bánh côngtác bằng kim loại với đường kính trên 300 mm và bánh công tác bọc cao su với đườngkính trên 500 mm.

Đường kính cánh và bánh công tác có liên quan mật thiết với nhau Cánh quárộng gây ra quá nhiều ma sát và hiệu suất bắt đầu giảm và có thể gây ra tắc Kiểu bánhcông tác của Bơm Bùn không liên quan đến hình dạng kín hay hở, việc sử dụng bánhcông tác được quyết định bởi phương diện sản xuất và loại ứng dụng

- Bánh công tác kín: được sử dụng đối với dung dịch bùn có hạt thô cho hiệu suất caonhất và tuổi thọ chống mài mòn cao nhất nhưng phải chú ý kiểm tra cỡ hạt tối đa.Bánh công tác kín hiệu quả hơn bánh công tác hở vì nó hạn chế sự rò rỉ “vòng quayngắn” trên các cánh Hiệu suất ít bị ảnh hưởng bởi sự mài mòn

Hạn chế: Bánh công tác kín dễ bị tắc khi bị các hạt thô cọ sát, các hạt có kích thướclớn hơn kích cỡ hạt tối đa Hiện tượng này phổ biến với những bánh công tác nhỏ

- Bánh công tác nửa hở được sử dụng để khắc phục những hạn chế của bánh công táckín Bánh công tác nửa hở phụ thuộc vào đường kính của bánh công tác, kích cỡ và kếtcấu của chất rắn, không khí bị đẩy vào, độ nhớt cao, v.v

Hạn chế: Hiệu suất thấp hơn (không đáng kể) so bánh công tác kín

- Bánh công tác lưu lượng xoáy: được sử dụng đối với chất rắn to, mềm, chất liệu sợihoặc để vận hành “nhẹ nhàng”, hoặc bơm các hạt dễ vỡ, độ nhớt cao và khí bị đẩy vào.Bánh công tác lưu lượng xoáy được sử dụng khi có sự tắc bánh công tác hoặc khi bơmcác hạt dễ vỡ

Hạn chế: Hiệu suất thấp hơn (đáng kể) bánh công tác kín và bánh công tác nửa hở

Ngoài ra còn có nhiều thành phần khác của bánh công tác cũng ảnh hưởng tớihiệu suất cũng như hoạt động của bánh công tác như:

- Đường kính bánh công tác: Đường kính bánh công tác ảnh hưởng đến lượng đẩy ra tạimọi tốc độ Đường kính bánh công tác càng lớn thì lượng đẩy ra càng nhiều

- Chiều rộng bánh công tác: Chiều rộng bánh công tác ảnh hưởng đến lưu lượng củabơm tại mọi tốc độ Chiều rộng bánh công tác lớn mà chạy chậm thì lưu lượng cũngbằng chiều rộng bánh công tác nhỏ mà chạy nhanh, nhưng điều quan trọng nhất làcánh và nắp bảo vệ bánh công ảnh hưởng đến tốc độ So với bơm nước và dựa vào

“tiết diện chống mài mòn” thì bánh công tác của Bơm Bùn không chỉ to hơn mà cònrộng hơn rất nhiều,

• Bùn đồng nhất

Bùn đồng nhất gồm các hạt rất mịn đều bị lắng đọng trong quá trình vận chuyển Ví dụ

về bùn đồng nhất là bùn đá vôi mịn, bùn thải, Loại bùn này có rất ít so với loại bùnkhông đồng nhất Đối với bùn đồng nhất các hạt rắn có kích thước thường nhỏ hơn 70

 Đặc tính của bùn:

Việc xác định các tính chất bùn rất quan trọng đối với việc lựa chọn và thiết kế đểtối ưu hệ thống xử lý bùn Các đặc tính khác nhau của bùn được mô tả ngắn gọn dướiđây

- Tỷ trọng của bùn:

Tỷ trọng của bùn phụ thuộc vào nồng độ của pha rắn và tỷ trọng của pha lỏng Tỷtrọng của bùn (ρm) được tính theo công thức sau:

Trong đó:

Cws là nông độ pha rắn trong hỗn hợp bùn tính theo khối lượng.

+ Bùn có nồng độ dưới 1%:

Khi trong dòng chất lỏng hai pha có nồng độ của pha rắn dưới 1%, thì giữa các hạt rắn

ít có sự tương tác với nhau Khi đó mối quan hệ giữa độ nhớt động học và nồng độ hạtrắn có thể thể hiện như sau:

Trong đó: K1 = 2.5, K2 = 10.05, A= 0.00273 và B = 16.6.

- Vận tốc tới hạn:

Bùn là hỗn hợp của các hạt rắn và chất lỏng vận chuyển Nếu kích thước hạtrắn nhỏ hơn 70 micron thì các hạt rắn sẽ lơ lửng trong chất lỏng vận chuyển Tuynhiên, đối với những hạt có kích thước hạt lớn hơn 70 micron, có xu hướng lắngxuống Để vận chuyển bùn bao gồm các hạt thô hơn (kích thước lớn hơn 70micron) thì các vận tốc trung bình phải lớn hơn giá trị vận tốc giới hạn Vận tốcgiới hạn này được gọi là vận tốc tới hạn Khi vận tốc vận chuyển bùn nhỏ hơn vậntốc tới hạn thì sẽ xảy ra lắng đọng trong đường ống vận chuyển Khi chất rắn bịlắng đọng nhiều thì làm tăng ma sát, giảm tốc độ vận chuyển, dẫn đến tắc đườngống, Vì vây, xác định vận tốc tới hạn là vô cùng quan trong khi thiết kế đườngống vận chuyển Vận tốc tới hạn có thể được xác định bằng thực nghiệm hoặc sửdụng công thức Durand:

Trong đó:

- Dp là đường kính trong của ống

- S là khối lượng riêng tương đối của hạt rắn

- SL là khối lượng riêng tương đối của pha lỏng

- FL là chỉ số tốc độ lắng đọng

Các giá trị FL phụ thuộc vào nồng độ và kích thước các hạt hình 1.6 cho ta thấy sựphụ thuộc của FL vào nồng độ và các kích thước hạt khác nhau

Hình 1.6: Sự phụ thuộc của F L vào nồng độ và các kích thước hạt khác nhau.

1.2.3 Ứng dụng vận chuyển bùng bằng máy bơm.

Trong những năm gần đây, việc lưu trữ, kiểm soát và bảo vệ các nguyên vậtliệu trong quá trình sản xuất, phân phối và xử lý trong các ngành công nghiệp khácnhau đã trở thành một mối quan tâm hàng đầu của các nhà quản lý Để đáp ứng nhucầu ngày càng tăng của xã hội loài người, tránh những tác động xấu tới môi trường, ítlãng phí nguyên vật liệu trong quá trình vận chuyển và an toàn trong sản xuất Vậnchuyển nguyên vật liệu ở dạng bùn đã trở thành một phương pháp vận chuyển phổbiến cho cả khoảng cách ngắn và dài Dưới đây là những lĩnh vực mà các phương tiệnvận chuyển bùn được sử dụng rộng rãi:

- Xử lý vật liệu công nghiệp và xử lý bùn Trong ngành công nghiệp khai thác mỏ vàchế biến khoáng sản các loại đá khoáng sản (ví dụ như quặng sắt vv) được tách ra vàtrộn lẫn với đất sau khi đã qua xử lý Các phần không mong muốn của các loại đánghiền được vận chuyển bằng đường ống trong các hình thức bùn cặn Trong ngànhcông nghiệp khác như xử lý tro xỉ tại nhà máy nhiệt điện, xử lý nguyên liệu khác nhau

và xử lý chất thải trong các nhà máy phân bón vv được thực hiện ở dạng bùn

- Vận chuyển các loại khoáng sản và nguyên vật liệu đường dài

Trong nhiều ngành công nghiệp, nguyên liệu và khoáng sản khai thác được đưa đếncác nhà máy chế biến từ các mỏ ở dạng bùn Đôi khi, vật liệu như than đá được vậnchuyển qua một khoảng cách dài ở dạng bùn thông qua đường ống Việc vận chuyểnbằng đường ống cho hiệu suất cao hơn và đảm bảo an toàn cho con người và môitrường xung quanh.

- Nạo vét và khai thác khoáng chất dưới biển sâu:

Ở dưới đáy biển có rất nhiều loại khoáng chất với trữ lượng lớn và những khoáng chất

đó được khai thác bằng cách lọc ra từ hỗn hợp bùn-cát-nước được khai thác bởi máybơm bùn Ngoài ra, ở các cảng biển, các cửa sông để đảm bảo sự lưu thông cho tàuthuyền ra vào thì việc nạo vét bảo dưỡng các cảng biển là điều bắt buộc và phải thựchiện thường xuyên Việc nạo vét này được thực hiện bởi các bơm bùn có công suấtlớn Các dạng trầm tích lắng đọng dưới đáy sông hay cảng biển được hút lên dướidạng bùn nhão

- Xử lý rác thải đô thị

Song song với sự gia tăng dân số là sự gia tăng lớn lượng nước thải ở nhiều nước trong

đó có Việt Nam Và để giải quyết các vấn đề môi trường, trong quá trình xử lý nướcthải của các thành phố lớn, một số vật liệu phế thải cần phải được tái chế Việc xử lý

và tái chế các chất thải được thực hiện đôi khi ở dạng bùn nhão

1.2.4 Mô hình bài toán dòng chảy hai pha trong bánh công tác.

Quá trình vận chuyển bằng bùn là một quá trình liên tục, được thực hiện nhờ sựtruyền cơ năng từ bánh công tác được dẫn động bằng động cơ tới dòng chất lỏng cầnvận chuyển Khi bơm được dẫn động, bánh công tác quay truyền cơ năng cho cả dòngchất lỏng Các hạt rắn là cát và nước dưới ảnh hưởng của lực ly tâm bị dồn từ trong rangoài theo máng dẫn của bánh công tác Khi dòng chất lỏng bị đẩy đến lối ra của bánhcông tác thì cũng là lúc chúng đạt được vận tốc lớn nhất, đồng thời một phần cơ năngđược chuyển đổi thành áp năng và đi vào buồng xoắn máy bơm

Sự chuyển động của bùn trong bánh công tác phức tạp hơn nhiều so với sựchuyển động đơn thuần của nước trong bánh công tác Bùn được sử dụng trong đề tàinày là dòng chất lỏng hai pha trong đó có nước là pha chính chiếm tới 80% về tỷ lệdòng chất lỏng, còn lại là 20% là pha cát có kích thước trung bình là 70 μm Tuy vậy,với sự thay đổi trong tỷ lệ như vậy đã ảnh hưởng rất nhiều tới đặc tính làm việc, hiệu

suất sử dụng cũng như các thông số khác của bơm, đặc biệt trong đó có tính mài mòn

là bị tác động mạnh nhất Khi dòng chất lỏng hai pha chạy qua bánh công tác Ở tại lốivào, vận tốc của cát và nước là như nhau, nhưng do sự khác nhau về tính cơ lý hóa nên

ở tại lối ra vận tốc của cát và nước sẽ khác nhau

Chất lỏng nhiều pha chứa nhiều hơn một pha và ít nhất một trong số các pha làpha vận chuyển Pha phân tán có thể bao gồm các hạt rắn, bong bóng khí, hoặc cácgiọt chất lỏng khác Đặc tính của dòng nhiều pha gồm khối lượng, năng lượng và độnglượng vận chuyển trong các hệ thống Hệ thống nhiều pha có thể có khí- hạt rắn, khí-các giọt chất lỏng, chất lỏng-bong bóng khí, các chất lỏng- giọt chất lỏng khác, và chấtlỏng- các hạt rắn Có hai phương pháp tiếp cận động lực học của hệ thống đa pha: thứnhất, xem xét động lực học của một hạt duy nhất và sau đó mở rộng nó thành một hệthống nhiều pha trong một môi trường tương tự Thứ hai, điều tra liên tục cơ học củamột chất duy nhất - pha lỏng , sau đó sử dụng một cách tương tự để giải thích những

gì xảy ra khi có sự xuất hiện của các hạt rắn Và trong hệ thống nhiều pha thì các hìnhdạng của các hạt trong hệ thống nhiều pha không có hình cầu Để làm cho hình dạngnhư là lý tưởng, các hạt được giả định là như hình cầu để thuật tiện hơn trong việc tínhtoán và mô phỏng dòng chất lỏng

Các yếu tố ảnh hưởng đến dòng hai pha bao gồm: hạt- sự tương tác giữa cáchạt, sự ảnh hưởng của khối lượng thực tế của các hạt, lực quán tính của các hạt khi dichuyển, sự va chạm giữa các hạt khi di chuyển, sự va chạm của hạt với tường biên vàlực nâng Magnus Nếu nồng độ thể tích của các hạt là dưới 0,3% thì sự tương tác giữacác hạt được coi như là không đáng kể đối với các hạt hình cầu Khi có các hạt trunghòa lơ lửng, vận tốc của pha rắn và vận tốc của chất lỏng được chấp nhận như là nhưnhau trong chế độ dòng chảy tầng ngay cả khi nồng độ của các chất rắn là lớn Tươngtác hạt có thể được bỏ qua trong bùn loãng Hành vi hạt trong dòng chảy khí - rắn phụthuộc vào:

Nếu chưa am hiêu thực sự về dòng đa pha thì nó gây ra việc thiếu hiệu quả trong việc

sử dụng các thiết bị hoặc gây ra một số vấn đề trong hoạt động do việc thiết kế chưaphù hợp Các dạng dòng chảy khác nhau có thể được quan sát trong các dòng hai phanhư trong các hệ thống dòng chảy khác Hình học của các hệ thống, điều kiện hoạtđộng và tính chất vật lý của chất lỏng hoàn toàn ảnh hưởng đến các dạng dòng chảy.Ngoài ra sự giảm áp suất, ăn mòn, xói mòn và năng lượng yêu cầu cũng phụ thuộc rấtnhiều vào nồng độ của chất rắn trong hệ thống bùn Việc đánh giá sự giảm áp suấttrong thiết kế máy bơm bùn là không dễ dàng vì sự phức tạp của quá trình Hình dạng

và kích thước của các hạt rắn là yếu tố quan trọng trong việc dự đoán sự suy giảm áplực qua máy bơm, và rất quan trọng trong việc thiết kế các hệ thống vận chuyển khínén Mặt khác, số lượng hạn chế của dữ liệu thực nghiệm càng làm cho khó khăn hơn

để có thể ước tính có giá trị cho các máy quy mô lớn

Sự giảm áp suất càng tăng lên khi có sự suất hiện của các hạt rắn trong dòngchất lỏng, vận tốc của các hạt ở trong máng dẫn lớn hơn vận tốc bề mặt Một lý dokhác cho sự tăng cao của công suất đầu vào và giảm của áp suất là sự bất ổn của cáchạt trong dòng chất lỏng hai pha hơn ở dòng một pha Các ứng dụng của dòng chảy haipha trong vận chuyển chất lỏng trong công nghiệp đòi hỏi vận tốc là đủ cao để giữ chodòng chảy liên tục của các chất rắn Tuy nhiên, tốc độ cao gây ra tổn thất năng lượng

do dư thừa và đôi khi gây nên sự ăn mòn Dòng chảy của bùn trong máy bơm rất khác

so với dòng chảy chất lỏng đồng nhất trong nhiều khía cạnh: đối với trường hợp thứhai, bản chất của dòng chảy phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất lỏng

1.3 Các nghiên cứu trên thế giới về mô phỏng dòng chất lỏng hai pha trong bơm

bùn ly tâm.

Trên thế giới, máy bơm bùn ly tâm được sử dụng rất nhiều để nghiên cứu đánh giácác đặc điểm riêng, hiệu suất và để xác định sự phụ thuộc của bơm vào các thông sốkhác nhau bao gồm các ảnh hưởng của nồng độ, độ nhớt và mật độ chất rắn được vậnchuyển Đó là những yếu tố quan trọng trong việc xem xét điều tra thực nghiệm bơm

Và kết quả là đã có nhiều chế độ dòng chảy khác nhau trong dòng chảy rắn-lỏng đượcthảo luận Rất nhiều bài báo đã được công bố trên thế giới về dòng chảy hai pha Một

số nghiên cứu của họ được giới thiệu dưới đây:

 Yassine et al (2010) năm 2010 Yassine et al đã tiến hành điều tra thực nghiệm vềhiệu suất của bơm bùn ly tâm Để điều tra hiệu suất máy bơm ly tâm, tỷ lệ cát đượcthay đổi từ 0 đến 15 % Thiết bị kiểm tra được sử dụng để xem xét các chế độ dòngchảy khác nhau của hỗn hợp cát và nước trong ống nhựa PVC đường kính 50 mm vớicác cách láp ráp và các van khác nhau Việc hút và phân phối các dòng, cung cấp ápsuất tĩnh được thực hiện bởi bơm Tổng áp suất tĩnh và hiệu suất tổng thể được đolường trong mỗi thí nghiệm Nó được phân tích và thấy rằng bùn có hiệu suất thấp hơn

so với nước do có sự xuất hiện của các hạt rắn khi tỷ lệ cát tăng lên, hiệu suất giảm đitrong khi công suất tiêu thụ thì tăng lên nhanh hơn so với tỷ lệ tăng của cát và hơn tốc

độ tăng của khối lượng riêng hỗn hợp Hiệu suất và công suất không thay đổi theo tốc

độ dòng chảy

 Wang et al (2012) năm 2012 Wang et al đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hạtrắn tới hiệu suất của bơm sử dụng CFD và FLUENT Họ nhận thấy rằng đối với cáckích thước hạt giống nhau, hiệu suất giảm và công suất trục tăng lên do tăng tỷ lệ hạtrắn lên Họ cũng quan sát thấy rằng tỷ lệ pha rắn rất thấp ở phía có áp suất cao và cao

ở đầu vào của bơm

 Liu et al (2012) năm 2012 Liu et al đã tiến hành nghiên cứu mô phỏng dòng chất lỏnghai pha trong bơm dung dịch hóa chất Các nghiên cứu mô phỏng dòng chất lỏng haipha được thực hiện bằng việc sử dụng mô hình hỗn hợp và mô hình chảy rối k-epsilon

Họ thấy rằng do tăng tỷ lệ ban đầu và thay đổi sự phân bố các hạt rắn mà tỷ lệ hạt rắn

ở gần đĩa sau bánh công tác cao hơn với đĩa trước bánh công tác

 Yuliang et al (2013) năm 2013 yuliang et al đã tiến hành nghiên cứu bằng phươngpháp mô phỏng số và phân tích dòng chất lỏng hai pha Một máy bơm ly tâm tốc độthấp được sở dụng để mô phỏng dòng chất lỏng hai pha Hai mô hình được sử dụng đểtiến hành mô phỏng là mô hình hỗn hợp và mô hình chảy rối k-epsilon Mật độ các hạtrắn có ít ảnh hưởng tới hiệu suất máy bơm hơn so với nồng độ và đường kính các hạt

Họ thấy rằng chiều cao bơm và hiệu suất giảm do tăng đường kính và tỷ lệ các hạt rắn.Buồng xoắn trở nên bền hơn khi nồng độ các hạt rắn cao, và khi các hạt rắn có đườngkính hạt nhỏ hơn 0.05 mm thì bơm có hiệu suất thủy lực chính xác hơn so với các hạt

có đường kính lớn hơn 0.05 mm

 Cheng et al (2013) năm 2013 Cheng et al đã tiến hành nghiên cứu về sự tác động củabánh công tác máy bơm lên lực dọc trục của bơm ly tâm khi bơm dòng chất lỏng haipha Mô hình chảy rối k-epsilon được sử dụng để mô phỏng Sáu bánh công tác củamáy bơm được chế tạo khác nhau bằng cách thay đổi kích thước và bề rộng lối ra bánhcông tác Từng bánh công tác được thiết kế theo đường kính và tỷ lệ các hạt rắn riêngcho từng bánh công tác máy bơm Các bánh công tác có thể thay đổi độ lớn và hướngcủa lực dọc trục Do tăng số lượng và kích thước bánh công tác máy bơm nên lực dọctrục của bánh công tác gây ra tăng lên Khi tăng kích thước hạt rắn thì lực dọc trụccũng tăng lên.

 Chander Kant Susheel (tháng 6/2008) Năm 2008 Chander Kant Susheel đã tiến hànhnghiên cứu về dòng chảy trong bánh công tác máy bơm bùn Một bánh công tác đượcthiết kế ra để sử dụng cho quá trình mô phỏng sau đó, sử dụng phần mềm ANSYSCFX để mô hình hóa lại bánh công tác máy bơm bùn và đồng thời mô phỏng lại dòngchảy qua bánh công tác đó Ngoài ra Chander Kant Susheel còn nghiên cứu sự biếnđổi của các thông số khác nhau như áp suất, vận tốc ảnh hưởng đến dòng chảy như thếnào trong bánh công bánh công tác Sự biến đổi áp suất từ đầu vào đến đầu ra của bánhcông tác dọc theo rãnh xoắn bánh công tác cũng được nghiên cứu Đặc tính hiệu suấtcủa máy bơm cũng được chú ý đến Kết quả nghiên cứu thấy được rằng, hiệu suất củamáy bơm giảm khi tăng tốc độ dòng chảy và nồng độ của cát trong dịch Công suấtđầu vào cần thiết tại các trục cũng tăng lên khi nồng độ tăng lên Nhưng không cónhiều thay đổi trong hiệu quả của máy bơm với việc thay đổi nồng độ pha rắn

 Prashant Kaushik (7/2014) Năm 2014 Prashant Kaushik đã tiến hành thực hiệnnghiên cứu và mô phỏng bơm ly tâm với số cánh bánh công tác khác nhau Phần mềmfluent với mô hình hỗn hợp được sử dụng để mô phỏng dòng chảy Dòng chảy nhiềupha chứa lần lượt than đá, đá vôi, kẽm phế thải được đưa vào mô phỏng ở tốc độ quaycủa bơm là 1450 vòng/phút cùng với các lưu lượng khối lượng khác nhau Hiệu suấtcủa bơm được tính toán bởi các đường kính và tỷ lệ thể tích của pha rắn khác nhau Ápsuất, tỷ lệ thể tích cũng được đưa ra để phân tích Các đường kính hạt từ 31 μm đến

171 μm được đưa vào mô phỏng Nó cho thấy được rằng đường kính hạt có ảnh hưởngnhiều hơn so với tỷ lệ thể tích của các hạt trong dòng chất lỏng, được biệt là than.Hiệu suất của bơm được nghiên cứu với sự thay đổi số cánh và tốc độ quay từ 1450

vòng/phút đến 1750 vòng/phút Nghiên cứu cho thấy rằng, khi tăng số cánh bánh côngtác cùng với tốc độ quay thì chiều cao bơm và hiệu suất tăng.

 Zhao et al (2012) Đã tiến hành điều tra dòng chất lỏng hai pha trong bơm ly tâm.Phần mềm ANSYS FLUENT 6.4 cùng với mô hình chảy rối k-ω đã được sử dụng Họthấy rằng: hạt bắt đầu tập trung ở phía có áp suất lớn hơn của bánh công tác Tại lốivào bánh công tác tỷ lệ thể tích của cát giảm, cát bắt đầu lắng đọng ở mặt hút của bánhcông tác Họ nhận ra rằng tỷ lệ thể tích của cát đầu vào có ảnh hưởng ít hơn so vớiđường kính của hạt cát trong toàn bộ rảnh xoắn của bơm Cuối cùng họ thấy rằng côngsuất vận chuyển tăng lên cùng với tốc độ dòng chảy

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BÁNH CÔNG TÁC MÁY BƠM

LY TÂM BƠM BÙN.

2.1 Các thông số ban đầu.

Thiết kế bánh công tác máy bơm ly tâm bơm bùn 1 cấp

Bảng 2.1 các thông số ban đầu.

2.2 Tính toán thiết kế bánh công tác máy bơm ly tâm bơm bùn.

Hình 2.1 Sơ đồ xác định các kích thước của bánh công tác

• Tính toán các thông số cơ bản:

Số vòng quay đặc trưng (công thức 3.17/t.68/MBN)

Đường kính quy dẫn của bánh công tác: (công thức 5.7/t.143/MBN)

Hiệu suất thủy lực: (công thức 5.6/t.143/MBN)

Hiệu suất lưu lượng: (công thức 5.4/t.143/MBN)

Hiệu suất cơ khí: ηck = 0,96

Hiệu suất chung của bơm:

Công suất đầu vào: (công thức 5.8/t.144/MBN)

Giả thiết khả năng quá tải là 20% thì công suất đầu vào Nmax là:

Nmax 1.2.N = 1,1.15,18 = 16,7 ≈ 17 (KW)Mômen xoắn trên trục:

Chọn vật liệu làm trục là thép 45 có τx = 12÷20 kg/cm2

Đường kính trục lắp bánh công tác:

Chọn đường kính trục theo tiêu chuẩn bằng 70 (mm)

Đường kính lắp moayơ bánh công tác:

Chọn dmo = 100 (mm)

• Xác định các kích thước vào của bánh công tác

Lưu lượng lý thuyết của bánh công tác:

Vận tốc trước cửa vào của bánh công tác: (công thức 5.13/t.145/MBN)

Đường kính mép vào: (công thức: 5.14/t.145/MBN)

Chọn đường kính theo tiêu chuẩn là 170 mm

Vận tốc c’1m trước khi tiết diện bị thu hẹp do các cánh gây ra thường được chọn bằngvận tốc co nên c’1m = co =2,5 (m/s)

Đường kính lối vào D1 được xác định theo công thức: D1 = (0,9÷1)=D0 do đóD1=(153÷170)(mm) chọn D1 = 170 (mm)

Chiều rộng b1 tại lối vào bánh công tác: (công thức 5.15/t.145/MBN)

Mép vào của cánh được xác lập một góc khoảng 150÷300 so với trục bơm Góc β1được tính toán theo r1.

Hệ số co hẹp tiết diện là k1, chọn sơ bộ k1 = 1,1 ÷ 1,15 Chọn k1 = 1.1

Ta xác định vận tốc c1m và u1 Sau đó là góc đi vào cánh không va của dòng chảy β1,0.Cho trước góc tới δ1 ta xác định được góc vào của bánh công tác

- Xác định c1m theo công thức:

C1m = k1.c’1m = 1,1.2,5 = 2,75 (m/s)

- Vận tốc theo u1 được xác định theo công thức:

Từ đó ta xác định được β1,0 theo công thức:

Góc nghiêng β1 của cánh được xác định theo điều kiện (công thức 5.21/t.147/MBN)

Trong đó gọi là góc va trong chảy bao cánh, thường chọn từ ∆β = (50 ÷ 100)

Bán kính lối ra R2, theo công thức (5.23/t.147/MBN)

Sau đó dùng giá trị R2 vừa nhận được để xác định góc β2 , số cánh z và tính toán gầnđúng R2 lần thứ 2 Thường lấy thành phần kinh tuyến của vận tốc dòng chảy khi rakhỏi bánh xe c’2m = c’1m.trong trường hợp để có bánh công tác tại lối ra rộng hơn nhằmđúc được dễ dàng thì vận tốc c’2m được lấy bé hơn ở đây ta chọn c’2m = 0,8.c’1m góc

ra của cánh β2 xác định phụ thuộc vào giá trị đã chọn c’2m để có được tỷ lệ w1/w2 nhưmong muốn.

Hệ số co hẹp được chọn sơ bộ trong giới hạn từ (1,05÷1,1) sau đó có hiệu chỉnh lại

Sơ bộ chọn:

; c’2m =0,8.c’1m = 0,8.2,5 = 2 (m/s)

Bán kính tại lối ra, theo công thức (5.23/t.147/MBN)

Chiều rộng rãnh bánh công tác tại lối ra:

Kiểm tra lại hệ số k1 và k2 để hiệu chỉnh lại, theo công thức (5.31/t.151/MBN)

Chiều dày cánh lấy S1 = 7 mm S2 = 5 mm

3 Công suất đầu vào N 15,12 Kw

13 Thành phần vận tốc tuyệt đối theophương hướng kính tại lối vào C1m 2,75 m/s

19 Vận tốc tuyệt đối theo phướng

Bảng 2.2 Bảng tổng hợp các thông số tính toán.

 Thiết kế hình dạng bánh công tác

Bánh công tác của bơm ly tâm thường được thể hiện bằng hai mặt cắt mặt cắt tạo bởimặt phẳng đi qua trục ( mặt cắt kinh tuyến ) và mặt cắt tạo bởi mặt phẳng vuông gócvới trục( mặt cắt ngang)

• Thiết kế hình dạng rãnh bánh công tác ở tiết diện kinh tuyến

Tiết diện kinh tuyến được tính toán sao cho thành phần vận tốc kinh tuyến biến đổiđều từ c’1m tại lối vào đến c’2m tại lối ra Để đạt được điều đó thường cho c’m biến đổi

phụ thuộc vào bán kính r hay chiều dài đường trung bình của máng dẫn, đường nàyđược phác họa trên cơ sở của thiết kế sơ bộ sau đó từ đồ thị ta tìm được c’m cho từnggiá trị của chiều dài đường trung bình máng dẫn, theo phương trình liên tục ta tìmđược bề rộng máng dẫn bi:

Các giá trị Ri và C’im ở trong bảng được tính theo công thức:

Mặt cắt ngang của bánh công tác được xây dựng trong mặt phẳng vông góc với trục.

Để xây dựng tiết diện cánh, trước tiên ta xây dựng đường nhân của tiết diện ngangbằng phương pháp giải tích hình học Các thông số được tính toán trong bảng 2.3 sau.Trong bảng 2.3 các thông số được tính toán theo công thức:

• Bán kính thứ i+1: ri+1 =ri – ((r10 – r1)/9)

• Độc chênh lệch bán kính: Δri = ri+1 – ri

• Bước cánh thứ i: ti = (2πri)/z Trong đó z là số cánh

• Si là chiều dày prôphin trên bán kính ri

• Vận tốc kinh tuyến thứ i+1: C’im+1 = C’im – ((C’1m - C’10m)/9)

• Vận tốc tương đối thứ i+1: Wim+1 = Wim – ((W1m - W10m)/9)

• Sin βi = Si/ti + C’im/Wi

Từ góc βi ta tính được Bi theo công thức:

• Bi =

Từ Bi ta tính được góc bao θ theo công thức:

Từ kết quả trong bảng 2.3 các thông số xây dựng đường prôphin cánh ta đi xây dựngmặt cắt ngang của bánh công tác

xây dựng đường nhân prophin cánh

ri Δri ti si si/ti C'im Wim C'im/Wim sinβi βi tgβi B=1/ritgβi (Bi+B(i+1))/2 Δθi