Nghiên cứu thiết kế bơm trục vít cỡ nhỏ để bơm nước thải tại các cơ sở chế biến nông thuỷ sản

Luận văn, thạc sĩ, tiến sĩ, khóa luận, cao học, đề tài

Bộ giáo dục và đào tạo

Trường đại học nông nghiệp I

Lê văn dung

Nghiên cứu thiết kế bơm trục vít cỡ nhỏ

để bơm nước thải tại các cơ sở chế biến

nông thuỷ sản

Luận văn thạc sĩ

Chuyên ngành: Kĩ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá

Nông Lâm Nghiệp M∙ số: 60.52.14 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hoàng Đức LIên

Hà Nội 2006

1 Mở ĐầU 1.1 Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế quốc dân, vấn đề bảo

vệ môi trường, đánh giá tác động của môi trường cũng như xử lý môi trường

đã và đang được quan tâm đúng mức ở nước ta Với những ưu việt và đặc thù riêng, bơm trục vít đã được nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và sử dụng đạt kết quả tốt ở nhiều nước, đặc biệt là ở các nước công nghiệp phát triển (G7) Những năm gần đây, được sự giúp đỡ của nhiều tổ chức quốc tế, Việt nam đã tiếp nhận một số loại máy bơm trục vít phục vụ cho thoát nước thải thành phố (Nam Định) hoặc lắp cho các công trình xử lý chất thải rắn và lỏng của các xí nghiệp công nghiệp, các khu chế biến nông lâm thủy sản trên phạm vi cả nước Nhu cầu về bơm với các loại công suất và thông số kỹ thuật khác nhau

đang đòi hỏi đáp ứng với số lượng lớn phục vụ các yêu cầu của thực tế sản

xuất và đời sống Chỉ xét riêng trên địa bàn tỉnh Bình Định cũng có rất nhiều

cơ sở sản xuất như: xí nghiệp chế biến thủy sản đông lạnh Quy Nhơn, nhà máy đường Bình Định, nhà máy rượu Bình Định, xí nghiệp chế biến bột mì (bột sắn) Phù Mỹ… Các cơ sở này hàng ngày đang thải ra môi trường hàng

hưởng tới sức khỏe của cộng đồng và sản xuất

1.2 Mục tiêu của đề tài

Với đặc thù là mang theo nhiều tạp chất, nước thải là một tổ hợp phức tạp các thành phần vật chất Trong đó nguồn gốc nhiễm bẩn thuộc nguồn gốc vô cơ và hữu cơ thường tồn tại dưới dạng không hòa tan, keo và hòa tan Cho dù các chất này có độc hại hay không thì chúng cũng cần phải được tách ra khỏi nước thải trước khi xả nước thải ra nguồn [2]

Một trong số những thiết bị không thể thiếu cho việc xử lý nước thải là máy bơm Qua nghiên cứu khảo sát về đặc thù nước thải, về tính năng từng loại bơm, chúng tôi xét thấy loại bơm trục vít là phù hợp nhất Mục tiêu của đề

tài hướng tới nghiên cứu thiết kế các loại bơm trục vít phục vụ cho việc bơm nước thải tại các cơ sở sản xuất chế biến nông lâm thủy sản

1.3 Yêu cầu của đề tài

Với mục tiêu trên, cộng thêm việc khảo sát sơ bộ lượng nước thải tại các cơ sở sản xuất chế biến nông thủy sản tại địa phương, chúng tôi đã lựa chọn hướng nghiên cứu thiết kế loại bơm trục vít với công suất dưới 10 kW

Do vậy, "nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị bơm trục vít" phục vụ

cho việc xử lý chất thải trong các vùng chế biến nông, thủy sản là vấn đề rất cấp thiết và chắc chắn sẽ đem lại hiệu quả không nhỏ về kinh tế, ý nghĩa xã hội và góp phần bảo vệ môi trường sinh thái

2 TổNG QUAN TìNH HìNH NGHIÊN CứU, CHế TạO Và Sử DụNG BƠM TRụC VíT 2.1 Tình hình nghiên cứu, chế tạo và sử dụng bơm trục vít

2.1.1 Nghiên cứu, chế tạo và sử dụng bơm trục vít ở nước ngoài

Từ thời Hy lạp cổ đại (năm 287-212 trước Công nguyên), nhà toán học

và vật lý nổi tiếng của Hy lạp - ác Si Mét đã đề xuất một loại máy bơm dựa trên nguyên lý xoắn để cấp nước tưới ruộng đồng

Máy bơm kiểu vít xoắn làm việc theo nguyên lý đề xuất của ác Si Mét

được gọi là bơm trục vít ác Si Mét Bơm trục vít thời ác Si Mét có cấu tạo rất sơ sài Bơm gồm một ống trụ hình tròn to và thô chạy bao vòng quanh một trục hình trụ theo kiểu xoắn ốc từ dưới lên trên Khi dùng sức người để quay trục thì nước sẽ được đưa lên cao theo ống tròn hình xoắn [5]

Vào giữa Thế kỷ thứ IV, người La mã dùng bơm trục vít cho các hệ thống cung cấp nước với số lượng lớn Người Tây Ban Nha dùng bơm trục vít

để vận chuyển sa khoáng Các bơm trục vít thời kỳ này đều được kéo bằng sức người hoặc sức động vật [6]

Đến Thế kỷ thứ XIV, ở châu Âu, bơm trục vít được dùng để tạo các thác nước phục vụ đời sống Vào thời kỳ Phục Hưng, Leonardo De Vince (1452- 1591) đã nghiên cứu và cải tiến bơm trục vít ác Si Mét bằng cách dùng các lá xoắn thay thế cho các ống tròn xoắn, tăng độ lớn của khoang chứa nước, nâng cao năng lực vận chuyển chất lỏng Các nước ở bờ biển Bắc Hải, Ban Tích như Hà Lan, Đan Mạch, Phần Lan, có địa thế rất thấp với nhiều vùng đất nằm dưới mực nước biển, do vậy, cần dùng số lượng lớn bơm để tiêu úng Khi ấy, các bộ phận của bơm trục vít được làm bằng gỗ Người Hà Lan

đã lợi dụng sức gió để kéo bơm trục vít (kết hợp giữa cối xay gió với bơm trục vít) Nhiều bơm trục vít vận hành liên tục hơn.(Hình 2.1) [6]

Hình 2.1: Bơm trục vít với động lực cối xay gió

Đến Thế kỷ thứ XIX, các quốc gia Châu Âu đã dùng bơm trục vít phục

vụ cấp nước Đức và Pháp bắt đầu sử dụng bơm ác Si Mét vào những năm

1880 Sau khi bơm trục vít hiện đại ra đời vào năm 1920, một số nước Châu

Âu đã nghiên cứu cải tiến để dùng vào việc tiêu úng và cung cấp nước Đến

1930, ở Hà Lan đã có khoảng 300 máy bơm trục vít, trong đó, sức gió làm

động lực chủ yếu và nhiều bơm được chế tạo bằng gỗ [6]

Sau Thế chiến thứ II, bơm trục vít được dùng trong lĩnh vực cấp thoát nước Trong các công trình xử lý nước thải thành phố và phục vụ các nhà máy công nghiệp, bơm trục vít đã được ứng dụng ngày càng nhiều Ngoài ra, bơm trục vít còn được dùng vào việc tưới nước cho đồng ruộng, tiêu úng, thay nước, khống chế mức nước thủy triều, phục vụ nông nghiệp

Baựnh raờng kheỏ Truùc truyeàn ủoọng coỏi xay gioự

Hiện nay, bơm trục vít được thiết kế và chế tạo tại các hãng chuyên ngành như Spaans (Hà Lan), Giroud- Olma (Thụy Sỹ), Lappenrannen (Phần Lan), Ailen Gwynes (Anh), Man, Holscher, Dambach, Rits (Đức), Mitsubishi, Shiko (Nhật), Inter Sigma (Canada), Các sản phẩm bơm trục vít này đang

được bán rộng rãi ở các nước như: Mỹ, Pháp, Canada, Phần Lan, Libi, Công

ty Spaans của Hà Lan được thành lập từ năm 1928 đã cung cấp thiết bị cho hơn 3000 trạm bơm trục vít [8]

Pits Atro là hãng chuyên sản xuất bơm trục vít đứng hàng đầu của Đức

ra đời từ năm 1969 đã đóng vai trò quan trọng đối với việc nghiên cứu, thiết

kế, chế tạo và lắp đặt các máy bơm trục vít các ngành kỹ thuật khác nhau trên phạm vi thế giới [8]

ở Nhật Bản các máy bơm trục vít loại lớn có đường kính ngoài của cánh bánh công tác D = 4000 mm Bơm trục vít được đầu tư nghiên cứu, thiết kế và

áp dụng vào sản xuất từ thời kỳ Đức Xuyên (1603- 1867) Misubishi là hãng sản xuất bơm trục vít đứng hàng đầu Nhật Bản với các sản phẩm đạt chất

Từ những năm 1970, Trung Quốc cũng chú ý đầu tư nghiên cứu, thiết

kế và chế tạo nhiều loại máy bơm trục vít phục vụ cho tưới tiêu nước trong nông nghiệp và xử lý nước thải Nhà máy chế tạo bơm Tây Hồ(tỉnh Giang Tô)

đã cho ra đời hàng loạt máy bơm trục vít với lưu lượng đạt Q = (100 - 500)

tạo máy Quý Lạc (Thượng Hải) sản xuất các máy bơm trục vít phục vụ các công trình xử lý nước thải của các nhà máy công nghiệp Thượng Hải với lưu

Các hãng sản xuất bơm trục vít đã đầu tư cho nghiên cứu, thiết kế và hoàn thiện công nghệ chế tạo các chi tiết cơ bản của bơm, xây dựng quy trình công nghệ lắp đặt bơm trục vít, đã cho ra đời nhièu kiểu bơm trục vít khác nhau: kiểu nằm ngang (hình 2.2), kiểu vuông góc (hình 2.3)

Hình 2.2 Bơm trục vít kiểu nằm ngang Hình 2.3 Bơm trục vít

Các bơm trục vít của các hãng lớn đều phân loại theo lưu lượng của máy có thể phân chia các bơm trục vít thành hai loại: loại nhỏ với lưu lượng

xuất) [9]

2.1.2 Nghiên cứu và chế tạo bơm trục vít ở Việt Nam

Bơm trục vít được một số hãng như Spaans - Hà Lan đưa vàoViệt Nam dùng trong nông nghiệp và công nghiệp Một số bơm trục vít đã được sử dụng trong các nhà máy công nghiệp như nhà máy giấy, nhà máy hóa chất, nhiệt

điện, để vận chuyển, xử lý chất thải

Trong những năm 1980, một số cơ sở nghiên cứu và chế tạo ở trong nước như Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, nhà máy công cụ số 1, công ty cơ khí thủy lợi, đã nghiên cứu và chế tạo bơm trục vít với mục đích dùng trong xử lý chất thải nông nghiệp và công nghiệp nhưng kết quả nghiên cứu và

sản phẩm chế tạo chưa được nhiều Việc ứng dụng bơm trục vít trong dây chuyền xử lý chất thải trong công nghiệp và nông nghiệp chưa rộng rãi Lý do

là trong thời gian trước đây, vấn đề bảo vệ và xử lý ô nhiễm môi trường chưa

được coi trọng Các cơ sở nghiên cứu cũng như các nhà máy chế tạo còn chưa chú ý đầu tư đến thiết bị bơm trục vít Hiệu suất và chất lượng bơm trục vít còn rất thấp

Ngày nay, bảo vệ môi trường đang là mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia trên thế giới ở Việt Nam, một số cơ sở sản xuất đang tiến hành xây dựng các dây chuyền xử lý chất thải Trong Nông nghiệp, vấn đề xử lý chất thải ở các khu chế biến nông thủy sản đang là mối quan tâm đặc biệt Việc lựa chọn và sử dụng thiết bị vận chuyển chất lỏng trong các dây chuyền xử lý chất thải rất quan trọng vì yêu cầu phải có các đặc tính sau:

- Hiệu suất cao ở trong tình trạng biến đổi của mực nước đầu vào và lượng nước bơm, hiệu suất vẫn giữ không thay đổi;

- Có thể trực tiếp lắp đặt ở giữa hai bể lắng và bể lộ thiên mà không cần phải xây dựng bể hút và các thiết bị phụ trợ khác;

- Không bị tắc nghẽn bởi các tạp chất có trong nước thải;

- Bảo dưỡng, sửa chữa dễ dàng;

- Số vòng quay chậm, không được làm vỡ các hạt ô nhiễm hoạt tính và hóa phèn nước ô nhiễm hồi lưu của thiết bị nước sạch Nếu chuyển tải nước ô nhiễm có dầu thì phải tránh số vòng quay quá cao, bởi vì khi ấy sẽ làm nước ô nhiễm bị sữa hóa

Bơm trục vít là thiết bị có thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu nêu trên Thụy Sỹ đã giúp Việt Nam xây dựng trạm bơm nước thải cho thành phố Nam

Đến nay, hầu như chưa có tài liệu kỹ thuật nào về máy bơm trục vít phục vụ cấp thoát nước, xử lý nước thải cũng như tưới tiêu trong nông

nghiệp được công bố ở nước ta Vấn đề đầu tư cho nghiên cứu, thiết kế cũng như công nghệ chế tạo, sử dụng, bảo dưỡng, sửa chữa máy bơm trục vít cũng chưa được chú ý quan tâm đầy đủ

2.2 Đặc điểm, công dụng của bơm trục vít và lựa chọn đối tượng nghiên cứu

2.2.1 Đặc điểm

2.2.1.1 Lưu lượng lớn, cột nước thấp, tiết kiệm điện năng

Lưu lượng của bơm trục vít liên quan trực tiếp đến nguồn nước, do vậy, không cần phải xây dựng trạm bơm có bể hút sâu, tiết kiệm được chi phí xây dựng Bơm nước ở những nơi có mực nước sâu, đầu nguồn nước mà bơm trục vít yêu cầu, thậm chí còn nông hơn cả rãnh, ngòi Có thể loại trừ việc xây dựng đập ngăn thủy lợi mà những trạm bơm thông thường khác cần có

nhà máy nước và nhà máy xử lý nước thải thường phải sử dụng máy bơm có lưu lượng lớn, cột nước thấp để hút nước bẩn, nước bẩn hoạt tính và nước bẩn hồi lưu Nếu sử dụng máy bơm thông thường sẽ có hiện tượng cột nước máy bơm và công suất bơm bị dư thừa lãng phí điện năng tiêu thụ Sử dụng bơm trục vít có thể tránh được sự lãng phí đó Một số nhà máy xử lý nước thải ở nước ngoài thường sử dụng máy bơm trục vít có lưu lượng Q = (50 - 300)

so với việc sử dụng bơm ly tâm thông thường Tuy nhiên, hiệu suất của bơm trục vít phụ thuộc nhiều vào số đầu cánh Với bơm trục vít có một đầu cánh thì

Các bơm trục vít cỡ lớn và trung bình đều có vùng làm việc tối ưu Những nơi đồng bằng ven biển và địa hình trũng sử dụng bơm trục vít rất có lợi, bởi vì tiết kiệm điện năng và hạ giá thành đầu tư [9]

2.2.1.2 Đơn giản hóa thiết kế trạm bơm, tiết kiệm chi phí xây dựng và quản lý vận hành

Các trạm bơm nhỏ thường dùng như bơm ly tâm, bơm hỗn lưu đều làm việc với số vòng quay cao nhằm tạo được độ chân không lớn ở trong ống để hút nước Nếu mực nước hút thấp sẽ tạo ra hiện tượng hút nước có lẫn không khí, bơm sẽ không làm việc Đối với bơm trục vít, chỉ cần mặt lá cánh xoắn tiếp xúc với mặt nước là có thể đưa nước lên, tự động điều chỉnh lưu lượng nước tương ứng với mực nước bể hút

Bơm trục vít làm việc với lưu lượng cho phép từ 0 đến rất lớn mà không cần liên tục mở và ngừng máy, tổn thất cột nước rất ít, không cần xây dựng bể hút, không cần đường ống đẩy để đưa nước lên cao, đơn giản hóa việc xây dựng nhà trạm, tiết kiệm được chi phí xây dựng

Sử dụng bơm trục vít có thể tránh được sự lãng phí không cần thiết của

tính toán công suất của bơm trục vít chỉ cần chú ý đến áp lực nước tĩnh của

Bơm trục vít cho phép đơn giản hóa việc xây dựng trạm bơm và tiết kiệm được chi phí xây dựng, chủ yếu là do phương pháp bố trí lắp đặt không giống nhau của bơm trục vít so với các loại bơm khác [9]

2.2.1.3 Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

Số vòng quay của bơm trục vít rất thấp Kinh nghiệm chỉ rõ là vận tốc tối ưu nhất có thể từ (20 - 110 v/ph) Tổn thất thủy lực trong máy bơm trục vít rất nhỏ Sự mài mòn do ma sát trong máy cũng rất nhỏ, do vậy, có thể kéo dài tuổi thọ sử dụng của bơm Bánh công tác với lá cánh xoắn trong bơm thường

bố trí thoáng, bảo dưỡng và sửa chữa dễ dàng, khi vận hành không cần theo dõi liên tục, thuận tiện cho việc sử dụng trạm bơm điều khiển từ xa

2.2.1.4 Bố trí thoáng tránh thất thoát khí

Vỏ của bơm trục vít được bố trí thoáng, tránh được hiện tượng lọt khí

mà các bơm khác hay gặp Cự ly giữa các lá cánh bánh công tác của bơm trục vít rất lớn, tất cả những vật lọt vào trong rãnh đều có thể kéo lên được (ví dụ như: giẻ rách, đá, cây cỏ, vỏ đồ hộp, hộp giấy, chai nhựa, ) Đây là ưu điểm không thể có ở những máy bơm khác Ưu điểm này cho phép sử dụng bơm trục vít xử lý nước thải ở phía trước bơm không cần bố trí tấm lưới chắn hay thiết bị xử lý phòng bị khác, khi cần thiết chỉ cần đặt tấm lưới chắn ở phía sau máy là được [9]

2.2.1.5 Đặc điểm riêng

Bơm trục vít còn những đặc điểm riêng mà các loại bơm khác không có, ví dụ: khi bơm nước ô nhiễm hoạt tính hay ô nhiễm dầu, do số vòng quay rất chậm, cho nên không làm vỡ hoạt động của nước ô nhiễm hoạt tính

2.2.2 Công dụng

Với các đặc thù riêng của bơm trục vít cho phép loại bơm này chỉ sử dụng trong phạm vi nhất định Qua nhiều năm cải tiến, phạm vi sử dụng đang không ngừng được cải thiện, mở rộng, chủ yếu dùng vào các việc sau:

2.2.2.1 Bơm nước ô nhiễm hoạt tính và nước ô nhiễm hồi lưu

Trong xử lý sinh hóa nước ô nhiễm, phải chuyền nước ô nhiễm hoạt tính trong bể lắng sang phơi lộ thiên nhằm nâng cao hiệu quả xử lý sinh hóa của bể phơi Công đoạn chuyển nước ô nhiễm đã lắng sang bể phản ứng cũng nâng cao phản ứng hóa học

bơm ban đầu Thường lấy giá trị bình quân 50%, khi ô nhiễm nhẹ sẽ lấy ngưỡng trên, khi ô nhiễm nặng lấy ngưỡng dưới Trên thực tế, thường vận chuyển ở 25% Khi sử dụng bơm bình thường có lưu lượng nước giảm một nửa thì phải lắp đặt hai tổ bơm Nếu dùng bơm trục vít thì cần lắp một tổ máy là

đủ Căn cứ theo đường đặc tính của bơm trục vít, có thể tự đông thích ứng với

sự biến đổi của lưu lượng nước chảy vào và đảm bảo giữ hiệu suất cao

Máy bơm nước ô nhiễm hoạt tính và nước ô nhiễm hồi lưu cần có những đặc tính sau:

- Trong điều kiện thay đổi mực nước bể hút và lưu lượng của bơm, hiệu suất máy bơm vẫn đạt tối ưu và không thay đổi;

- Có thể trực tiếp lắp đặt ở giữa hai bể lắng và bể lộ thiên mà không cần xây dựng bể hút và các thiết bị phụ trợ khác;

- Không bị tắc nghẽn bởi nước ô nhiễm;

- Bảo dưỡng sửa chữa dễ dàng;

- Số vòng quay chậm, không được làm vỡ các hạt ô nhiễm hoạt tính và hóa phèn nước ô nhiễm hồi lưu của thiết bị nước sạch Khi chuyển tải nước ô nhiễm có dầu cần tránh số vòng quay cao để tránh gây ra nhào trộn, nguyên nhân dẫn đến nước ô nhiễm bị sữa hóa

Bơm trục vít có thể đáp ứng được các yêu cầu trên Hình 2.4 trình bày bơm trục vít vận chuyển nước ô nhiễm hồi lưu

Bơm trục vít vận chuyển nước ô nhiễm hoạt tính hồi lưu của nhà máy xử lý nước thải loại vừa và nhỏ có lưu lượng và cột áp nhỏ Khoảng cách giữa bể lắng và bể phốt hoặc bể lắng với bể phản ứng đều rất nhỏ với kiểu bố trí thoáng, lộ thiên Sử dụng bơm trục vít kiểu che kín toàn bộ hoặc kiểu trống quay có thể chống được mùi hôi thối, cải thiện môi trường

Hình 2.4: Bơm trục vít vận chuyển nước ô nhiễm hoạt tính hồi lưu

Bơm trục vít vận chuyển nước ô nhiễm hoạt tính và nước ô nhiễm hồi lưu thường sử dụng hộp truyền động biến tốc vô cấp hoặc biến tốc hữu cấp, nhằm đạt lưu lượng với sự thay đổi liên tục của các yếu tố như chất lượng nước đầu nguồn không giống nhau, sự thay đổi của nhiệt độ nước

Trong những nhà máy nước và nhà máy xử lý nước thải được trang bị hệ thống tự động hóa và ứng dụng máy tính điện tử để khống chế lưu lượng nước

ô nhiễm hồi lưu và ô nhiễm hoạt tính [9]

2.2.2.2 Bơm trục vít dùng cho tưới tiêu trong nông nghiệp

Dùng bơm trục vít để tưới tiêu cho vùng đồng bằng và vùng đất trũng ven biển có tính ưu việt là tiết kiệm điện và bền Máy bơm được bố trí song song với dòng chảy của sông theo kết cấu kiểu cạnh bờ Do vậy, phải đặt cố

Bom can bun du thua

Be phoi

Dap

Khoang caởn buứn Boọ oồ truùc

Vaọt lieọu ủeọm kớnNoỏi vụựi choó thaỷi buứn

Vaọt lieọu

ủeọm boùc kớn

định gối đỡ dưới sao cho có thể di động lên xuống được ổ trục trên và vỏ máy

đặt trên bản lề chuyển động theo sự thay đổi của mực nước, kịp thời điều chỉnh góc đặt của bơm để giảm tiêu hao công suất Mặt khác, để khống chế lưu lượng nước tưới, sau khi điều chỉnh góc đặt, có thể thay đổi mực nước ở bể hút của bơm trục vít, tùy ý điều chỉnh lưu lượng bơm theo yêu cầu

Bơm trục vít có góc đặt tùy ý không chỉ sử dụng tưới tiêu nước trong nông nghiệp ở khu vực có sự thay đổi lớn mực nước thủy triều, mà còn ở những nơi có mực nước bể hút thay đổi liên tục với góc đặt có thể điều chỉnh

bể, sau đó dùng bơm trục vít để vận chuyển bùn cát đó ra ngoài

Những bể có thể kết tủa và lắng bùn cát với hiệu quả cao như bể lắng

đặt nghiêng có thể tập trung bùn cát, rất thích hợp với việc sử dụng bơm trục

vít Lá cánh xoắn truyền tải bùn cát theo đường xoắn ác Si Mét và có tác dụng làm cô đặc chất thải

Sử dụng bơm trục vít để bơm cát không chỉ giảm bớt dung tích cặn bùn trong bể mà còn làm cho cặn bùn không thể đóng cứng, nâng cao hiệu quả kết tủa, giảm tổn thất nước trong quá trình bơm làm việc

Kết cấu của bơm trục vít dùng để vận chuyển bùn cát có điểm khác với bơm thông thường là kết cấu của nó đơn giản và vững chắc, số vòng quay thấp

sẽ làm giảm rất nhiều độ mài mòn do ma sát, kéo dài tuổi thọ, giảm lượng công việc duy trì bảo dưỡng Số vòng quay thấp sẽ giúp cho việc cô đặc bùn cát dễ hơn [9]

2.2.2.4 Bơm trục vít dùng để cô đặc nước ô nhiễm

Bơm trục vít dùng để cô đặc nước ô nhiễm tương tự như bơm trục vít dùng để vận chuyển bùn cát Điểm khác là đường xoắn ác Si Mét của bơm trục vít dùng cho cô đặc nước ô nhiễm bị đứt quãng ở đoạn giữa, cắm một

đoạn lá cánh khuấy dạng chân vịt theo hướng trục bơm Nó có hiệu quả cô đặc lớn hơn rất nhiều so với bơm trục vít dùng để vận chuyển bùn cát Nguyên lý làm việc là khi nước ô nhiễm theo chân vịt được đưa sang cửa thoát, do tác dụng ma sát, sự di động của các hạt ô nhiễm tạo ra những bọt khí, nước ô nhiễm bị mục hóa và thoát ra khí hydro làm cho phần ô nhiễm bị cô đặc Bơm trục vít dùng cho việc cô đặc nước ô nhiễm, có số vòng quay là 10 - 20 v/ph

2.2.2.5 Bơm trục vít dùng để tẩy cặn

Bơm trục vít dùng để tẩy cặn bã trong nước ở các nhà máy, các vùng chế biến nông, lâm, thủy sản Những chất cặn bã được bơm trục vít vận chuyển ra khỏi bể thải đưa đến khu xử lý chất thải Trong nước thải có nhiều chất hình dạng hạt Khi chất cặn bã đi qua lá cánh bánh công tác máy bơm sẽ

bị nhào trộn và vỡ vụn So sánh với việc tẩy cặn trước đây làm bằng thủ công thì sự thay đổi này đã nâng cao rất nhiều năng suất công việc tẩy rửa lò cao, giảm nhẹ sức lao động thủ công [9]

2.2.2.6 Bơm trục vít dùng để tuần hoàn mực nước

Để đảm bảo giữ mực nước bể, có thể dùng bơm tuần hoàn nước trong trạng thái tĩnh Do chỉ có tác dụng thay đổi dung tích nước, cho nên tiêu tốn

thì công suất không vượt quá 3000W(3Kw) Hình 2.6 trình bày bơm trục vít với mực nước thường dùng Trục bơm cố định ở dưới xà ngang và động cơ lắp

2.2.3 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu

Các thông số kỹ thuật ban đầu:

Khảo sát thực tế ở các làng nghề và các cơ sở sản xuất chế biến nông lâm thủy sản (nhà máy chế biến bột sắn, mía đường, giấy ) nhu cầu cần phải bơm các chất thải lỏng-rắn là rất lớn Tuy nhiên, số lượng chất thải lỏng-rắn ở các nơi đó thường ở mức độ không quá nhiều nên quy mô phải bơm các chất thải đó thường nhỏ nhưng cũng lớn hơn so với yêu cầu mà Bộ Khoa học

và công nghệ đã nêu ra (lưu lượng chất thải lỏng-rắn cần bơm khoảng Qyc =

Với các yêu cầu và điều kiện cụ thể đã nêu, việc lựa chọn thiết bị bơm

là máy bơm trục vít sẽ cho hiệu quả cao và dễ sử dụng hơn nhiều so với các máy bơm thông thường hay các loại thiết bị khác

Trong phạm vi đề tài, đối tượng nghiên cứu sẽ là thiết bị máy bơm trục

3,0)m phục vụ cho viêc bơm các chất thải lỏng-rắn của các làng nghề hay các cơ sở sản xuất chế biến nông lâm thủy sản

3 CƠ Sở Lý THUYếT TíNH TOáN THIếT Kế BƠM TRụC VíT

3.1 Nguyên lý làm việc

Nguyên lý làm việc của máy bơm trục vít giống với nguyên lý làm việc của guồng nước, là máy bơm nước có hình ống di động Dung tích chứa của khoang được cấu thành bởi hai lá cánh bánh công tác gần kề nhau, máng dẫn

là đáy của khoang, ống trục của bơm trục vít là đỉnh của khoang, đoạn cuối cùng của lá cánh xoắn được đặt chìm dưới mặt nước P (hình 3.1) Khi động cơ thông qua cơ cấu hộp số làm quay ống trục và nước sẽ được đưa vào khoang

đầu tiên (Q) Do tác động của động lực dòng chảy, nước luôn luôn ở bên dưới của trục bơm Nước trong khoang đầu tiên(Q) sẽ được đưa lên khoang hai (Q’) nhờ mặt lá cánh tiếp xúc Cứ như vậy lặp lại chuỗi vận chuyển sau khi đã đưa lên khoang cuối cùng của bơm (Q”) nước sẽ theo trọng lực tự động chảy vào máng dẫn Trong quá trình bơm làm việc luôn duy trì trạng thái mặt phẳng, do vậy, mỗi đỉnh của khoang đều có một khoảng trống Lá cánh tiếp xúc càng gần khoảng trống càng nhỏ, như vậy có thể vận chuyển chất lỏng được nhiều hơn [9]

Hình 3.1: Nguyên lý làm việc của bơm trục vít

Hình 3.2: Nguyên lý vận chuyển chất lỏng của bơm trục vít

3.2 Phương trình cơ bản tính toán lưu lượng

quay(nb)

Trong biểu thức trên, thông số cần xác định trước tiên là thể tích chất lỏng ở giữa hai lá cánh tiếp xúc Thể tích này được xác định theo hình dạng thể tích ở giữa hai lá cánh tiếp xúc, tính năng cơ học và số vòng quay của trục

Số vòng quay có ảnh hưởng lớn tới hình dạng thể tích khối chất lỏng

Giả thiết máy bơm đang ở trạng thái tĩnh trong điều kiện bơm được đặt nghiêng mà vẫn giữ mực nước phẳng Ap dụng phương pháp tích phân tìm tích số để suy ra thể tích nước ở giữa lá cánh tiếp xúc và mặt nước phẳng [6]

1 ,ψ ,ϕ ,ϕ

Phương trình lưu lượng lý thuyết của bơm trục vít có số lá cánh bất kỳ nào đó là:

Qlt = Plt.Z1.D3

Có thể xác định lưu lượng lý thuyết của bơm trục vít theo phương pháp sau:

2

2 2 2 2 2

2 2

16

3 2

4

D D d

D2: §−êng kÝnh ngoµi cđa l¸ c¸nh xo¾n (m)

D

Lá chắn bảo vệ

Qlt = D .S c.n b

16

3 2

2 απ

Công thức (3.11) là công thức tính toán lưu lượng lý thuyết bơm trục vít [6]

3.3 Phương trinh cơ bản tính toán số vòng quay

ứng dụng luật tương tự trong cơ học chất lỏng để xác định số vòng quay của bơm trục vít Nếu bơm trục vít đang hoạt động, sự chuyển dịch của chất lỏng sẽ do tác dụng của trọng lực là chủ yếu, độ dính là thứ yếu, các lựa chọn khác có thể bỏ qua và đảm bảo thỏa mãn điều kiện dưới đây:

Fr: Hệ số Frut

v: Tốc độ dòng chảy(cm/s)

g: Gia tốc trọng trường

Căn cứ theo điều kiện này, số vòng quay lý thuyết của bơm trục vít theo giả thuyết của Hercle [5]:

- A: Hằng số

qua các lực khác Do vậy, để phù hợp với luật tương tự của cơ học chất lỏng cần phải thỏa mãn điều kiện:

Re =

ν 2

VD

= const (3.14) Trong đó:

B: là hằng số

Do giả thuyết trong công thức (3.13) và (3.15) về cơ bản là không giống nhau nên số vòng quay lý thuyết của bơm trục vít tính theo hai công thức (3.13) và (3.15) sẽ khác nhau Trên đồ thị hình 3.4, đường cong của số vòng quay lý thuyết tính theo giả thuyết của Hercle và Haman là khác nhau với cùng một đường kính

phát huy tác dụng thì số vòng quay lý thuyết của bơm trục vít sẽ gần với trị số

được tính ra từ công thức (3.13) và (3.15)

Khi dùng phương pháp đơn giản nhất để xác định số vòng quay của bơm trục vít có thể lấy giá trị trung bình từ công thức (3.13) và (3.15)

nb =

D

B D A n n

2 2

khi chuyển động làm sao cho khoảng trống ở giữa hai lá cánh tiếp xúc đựng

đầy nước nhưng không tràn ra ngoài trục bơm để rơi xuống khoang nước thấp Khi số vòng quay của bơm trục vít vượt quá trị số tối ưu, nước sẽ tràn ra khoang chứa bên dưới, lãng phí năng lượng, giảm hiệu suất Có thể xác định

số vòng quay của bơm trục vít theo công thức trình bày ở hình 3.4 (số 2 và 4):

ntư =

2

) 55 50 (

D

ữ

(3.17)

Trong đó:

Trong thực tế, do bị hạn chế bởi trị số tỷ lệ giảm tốc của cơ cấu truyền động nên số vòng quay tối ưu theo công thức tính toán (3.17) sẽ có sự sai số nhất

định

3.4 Cơ sở lý thuyết tính toán tổn thất lưu lượng

Khi tính toán hiệu suất thực tế của bơm trục vít cần chú ý là tổn thất lưu lượng do kết cấu và nguyên lý tác dụng của bơm gây ra Sự rò rỉ sẽ làm giảm lưu lượng và tăng công suất, do vậy, phải tính toán sự ảnh hưởng của tổn thất

rò rỉ đối với đặc tính của bơm

Tổn thất lưu lượng của bơm trục vít là do sự rò rỉ qua khe hở giữa các lá cánh xoắn và máng dẫn cùng với sự tràn ra do tác dụng của lực ly tâm Phần chất lỏng được dính chặt trên bề mặt của lá cánh xoắn, dưới tác dụng của lực

ly tâm sẽ bị văng ra đến điểm cao nhất của mực nước sau đó rơi xuống đoạn cánh (bước cánh) phía dưới

Tổn thất lưu lượng tồn tại trong mỗi đoạn lá cánh của bơm trục vít Trên

lý thuyết thì tổn thất lưu lượng ở giữa các ” bước cánh” của một máy bơm trục vít là không giống nhau Sự khác biệt đó không lớn nhưng không thể tính toán chính xác Do vậy, tổn thất lưu lượng của máy bơm trục vít có thể coi là tổn thất lưu lượng trên mỗi bước lá cánh của máy đó Nghĩa là, khi tính toán chỉ cần xác định tổn thất lưu lượng của một bước cánh là đủ

Khi tính toán sự rò rỉ qua khe hở giữa các lá cánh xoắn và máng dẫn có thể tham khảo nguyên lý tác dụng của bơm trục vít với nhiều lá cánh xoắn Sự

rò rỉ trong phạm vi của một bước lá cánh là không đồng nhất Trong phạm vi từ

rò rỉ vào bước lá cánh khác ở trong phạm vi A1ữA2, và A2ữA2 với áp lực thay

nhau cũng sẽ không giống nhau [8]

M’ và M”: Hệ số tổn thất của khe hở khi bị ngập và không ngập

đường xoắn và khoảng cách giữa lá cánh xoắn và vỏ ngoài Độ dài của đường xoắn là căn cứ theo phát triển độ dài đường kính ngoài lá cánh xoắn được tạo

ra từ góc trung tâm Lưu lượng chất lỏng bị rò rỉ ở khe hở giữa lá cánh xoắn

π

2 sin

2 ) (

1

2 2

m

Z

g K

+

Trong đó:

Km - Giá trị tỷ lệ của bước cánh và đường kính ngoài cánh bánh công tác

Từ công thức (3.20), với hệ số tổn thất nhất định có thể xác định vị trí

số khe hở giữa mép ngoài lá cánh xoắn và máng dẫn

n lt

T

D Kq

P Q

1

1

. θ

Trong đó:

θ - Góc đặt bơm trục vít (radian) Thay thế vào công thức trên ta được:

1

1 1

Kq

P Q

q T

Dưới tác dụng của lực ly tâm, chất lỏng bị tràn ra khỏi bề mặt bình quân

dẫn Tổng lượng rò rỉ qua khe hở và lượng tràn ra ngoài do tác dụng của lực

công chế tạo và làm cho trục có độ vênh lớn Do vậy, chiều cao địa hình của

Ngoài ra, tăng cột áp tĩnh của bơm sẽ làm tăng đường kính ngoài của lá cánh

có một trị số lớn hơn 3 lần đường kính ngoài của lá cánh bánh công tác máy bơm với cột áp tĩnh 5m

Để đề phòng hồi lưu, cột áp tĩnh nên lấy cao hơn một chút so với chiều

lượng bơm lớn và cột áp nhỏ, góc đặt nghiêng có thể giảm đi một chút Có thể

công suất động cơ kéo bơm trục vít Các hãng chuyên sản xuất các bơm trục vít đã đề xuất các công thức tính khác nhau nhưng kết quả đạt được gần giống nhau

Các công thức tính toán:

a

dc hs b

th ch dc

H Q N

ηηη

γ

75

.

.

b

dc d tr

th ch dc

H Q N

ηη

γ

102

.

163 ,

0 Q H K N

dc hs b

th ch

.

2

K H

Q N

dc hs b

th ch

η η η

d tr.

thuéc vµo hiÖu suÊt c¸c bé phËn HiÖu suÊt b¬m ®−îc tÝnh:

q hs

B¶ng 3.1 TrÞ sè hiÖu suÊt c¸c bé phËn cña tæ m¸y

3.7 Cơ sở lý thuyết tính toán ống trục

Bơm trục vít được cấu tạo bởi trục bơm, lá cánh xoắn, gối đỡ trên, gối

đỡ dưới, máng dẫn và cơ cấu chuyển động Ngoài bộ phận chính của máy bơm, trong trạm bơm còn một số thiết bị phụ khác như đập nước và hàng rào ngăn vật lạ, tạp chất…

3.7.1 Tính toán ống trục

ống trục bơm là bộ phân chủ yếu của bơm trục vít Tính toán thiết kế ống trục bơm có tác dụng quan trọng đối với việc bảo đảm vận hành an toàn trong thời gian dài của bơm trục vít Tính toán ống trục bơm bao gồm: chiều dài, tỷ lệ co giãn và độ cong vênh của ống trục bơm [9]

3.7.1.1 Chiều dài ống trục máy bơm

Bơm trục vít nói chung có ống trục đặt nghiêng, vì vậy chiều dài của ống trục phải được tính toán theo góc đặt của bơm ống trục quá dài sẽ tăng độ cao bơm, lãng phí công suất động cơ và tăng diện tích xây dựng, quá ngắn thì lại không đạt được chiều cao cột nước cần bơm Chiều dài của ống trục sẽ quyết định tổng chiều dài của máy bơm (hình 3.5)

Hình 3.5: Tính toán chiều dài của bơm trục vít

được lựa chọn hợp lý sẽ làm giảm lực cản ở đầu hút, tạo thuận lợi cho dòng chảy ở cửa vào

P H H

L tong + ư

đỡ trên bảo đảm cho dòng chảy không bị cản

Có hai loại công trình lắp đặt bơm trục vít: Loại có van một chiều và loại không có van Khi dùng van một chiều thì trục bơm phải tương đối dài, hiệu suất tương đối thấp, giá thành chế tạo và tổn thất điện đều cao hơn so với phương pháp không lắp van một chiều Nếu không dùng van một chiều thì khi dừng máy, vật lạ và nước sẽ chảy ngược trở lại, vật lạ rất dễ làm kẹt bơm Do vậy, lắp van một chiều sẽ cho độ an toàn cao Trong trường hợp không lắp van một chiều thì có thể lắp bánh răng cưa để đề phòng hiện tượng dòng chảy ngựơc và tác động của vật lạ hoặc tạp chất

Đối với môi trường chất thải không có vật lạ với kích thước lớn (ví dụ nước thải của làng nghề) có thể không lắp thiết bị van một chiều hoặc thiết bị bánh răng cưa chống chảy ngược

Hình 3.6 trình bày các kích thước dài của bơm trục vít vơí hai phương pháp lắp đặt không giống nhau

a) Có van một chiều b) Không có van một chiều

Hình 3.6 Chiều dài của bơm trục vít theo hai phương pháp lắp đặt không

giống nhau

3.7.1.2 Chiều dài trục bơm

Bơm trục vít thông thường đều bố trí lộ thiên, do vậy phải tính toán sự thay

đổi của trục bơm do sự biến đổi của nhiêt độ gây ra và tìm biện pháp đề phòng

Ix = 2 y dA

r

∫0

2

= 2π r sin2φ 2r2 cos2φ.dφ

2 /

0

2 2

) sin 1 ( sin

π

φφ

0

4 2

sin sin

φφφ

0

2 /

3 sin 2

3 3 sin cos 4

1 2

sin 4

1 2

3 4

ππ

=

4 r4

π

b) Đặc tính cơ học của trục rỗng giữa (ống trục)

Căn cứ theo cách giải của mặt cắt hình tròn, có thể xác định đặc tính cơ học của trục tròn rỗng giữa:

d

d −

π

(3.41)

Sx = Sy = ( )

32

4 1 4

d d

d −

π

(3.42) ống trục là bộ phận quan trọng đối với máy bơm trục vít

W* = G.Ltong (kg) Với G - Trọng l−ợng đơn vị bơm trục vít (kg)

trục vít không bao gồm lá cánh xoắn, chỉ tính ống trục là đủ an toàn

Bảng 3.2 Hệ số đặc tính các loại ống thép

DiÖn tÝch mÆt c¾t

A (cm)

Träng l−îng W (kg/m)

M« men qu¸n tÝnh I(cm4)

HÖ sè mÆt c¾t

86,8 96,2

d) §é vâng cña b¬m trôc vÝt khi lµm viÖc cã t¶i

H×nh 3.9 §é vâng cña b¬m trôc vÝt khi lµm viÖc cã t¶i

cña b¬m trôc vÝt trong ®iÒu kiÖn lµm viÖc cã t¶i sÏ tÝnh theo c«ng thøc:

d” =

EI

L W

L

Ltong - Khoảng cách giữa gối đỡ trên và gối đỡ dưới của trục bơm

Ltong = L1 + L2 + L3 (3.47)

ứng suất uốn được tạo ra trên trục bơm là do trọng lực phân bố đều của khối lượng nước và trọng lượng riêng của bộ phận xoắn gây nên:

Hình 3.10 Sơ đồ lực tác dụng trong bơm trục vít

e) Tính toán đường kính ống trục bơm

Chỗ nối tiếp của hai đầu ống trục với hai gối đỡ dưới và trên được chế tạo như hai trục đặc chuyển tiếp Trục đặc được tính toán tại tiết diện nhỏ nhất

kế tương ứng

Khi lựa chọn sử dụng đường kính trục đặc phải đảm bảo thỏa mãn hai yêu cầu là cường độ xoay và độ bền xoay với hai công thức tính toán khác nhau

bằng độ (bảng 3.3)

Bảng 3.3 Công thức tính toán đường kính trục

dđ≥a3

b

s n