Xây dựng phương pháp tính kích thước của thiết bị hòa trộn liên tục

2.3. Xây dựng cơ sở lý thuyết thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục

2.3.2. Xây dựng phương pháp tính kích thước của thiết bị hòa trộn liên tục

Đối với thiết bị hòa trộn chất lỏng là dầu cọ với dầu DO dùng cho động cơ diesel thủy, yêu cầu về thể tích của két trộn chưa có qui định cụ thể nào. Tuy nhiên, đối với các tàu sử dụng nhiên liệu là dầu nặng (FO) và dầu diesel (DO), trên tàu cũng

1 2

4 3 5

6

Từ két chứa dầu sinh học Từ két chứa dầu DO

Dầu đã hòa trộn đến động cơ

1- Thiết bị hòa trộn kiểu khuấy;

2- Thiết bị hâm dầu;

3- Bơm dầu;

4- Lưu lượng kế;

5- Thiết bị hòa trộn tĩnh;

6- Van chặn

Hình 2.10. Sơ đồ cấu tạo bộ hòa trộn nhiên liệu liên tục

có trang bị két trộn nhưng chỉ nhằm mục đích hòa trộn khi chuyển đổi dầu. Két này thường có thể tích khoảng từ 0,2 m3 đến 0,5m3. Két trực nhật của hệ thống nhiên liệu dùng để chứa nhiên liệu đã được làm sạch và cấp nhiên liệu cho động cơ trong quá trình làm việc; két này thường có thể tích đủ để cung cấp nhiên liệu cho động cơ hoạt động liên tục trong thời gian từ 8h đến 12h. Căn cứ vào các qui định mang tính chất pháp lý đối với các két chứa nhiên liệu trên tàu thủy, thể tích két trộn sẽ được chọn dựa trên tiêu thụ nhiên liệu của động cơ trong một giờ (hoặc trong một phút) và thời gian trộn cần thiết để đảm bảo chất lượng trộn.

Trên hình 2.11 là mô hình dòng chảy đối với cánh khuấy dạng tua bin cánh phẳng. Thiết bị hòa trộn loại này khi làm việc sẽ tạo thành hai khu vực xoáy trộn và do vậy rất phù hợp để thực hiện trộn liên tục khi bổ sung các chất lỏng từ trên đỉnh của két mà ít làm ảnh hưởng đến chất lượng nhiên liệu hỗn hợp ở cửa cấp nhiên liệu vào động cơ. Trên cơ sở phân tích các mô hình trộn khác nhau, luận án đề xuất mô hình trộn đối với quá trình trộn liên tục như sau:

- Thực hiện trộn theo mô hình dòng chảy tầng trong két trộn với Re < 104. Chảy tầng sẽ không tạo xoáy chất lỏng, hút theo không khí trộn lẫn với chất lỏng, gây nên hiện tượng tạo bọt khí trong hệ thống nhiên liệu;

- Lưu lượng chất lỏng cấp liên tục vào két trộn sẽ bằng lưu lượng chất lỏng ra khỏi két và chính là lượng tiêu thụ nhiên liệu trong một đơn vị thời gian của động cơ:

e e

c N g

G  .

, [kg/h] (2.26)

Trong đó: Gc - lượng chất lỏng cấp vào két trộn [kg/h]; Ne - công suất có ích định mức của động cơ [kW]; ge - suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ [kg/kW.h];

Hình 2.11. Mô hình dòng chảy đối với cánh khuấy loại tua bin cánh phẳng FR

FH

Chất lỏng A Chất lỏng B

Trong thiết bị hòa trộn liên tục, nếu thời gian phần tử chất lỏng lưu lại trong két trộn lớn hơn thời gian trộn thì chất lượng trộn liên tục sẽ được đảm bảo. Để xác định được thời gian chất lỏng lưu lại trong két trộn, cần phân tích quĩ đạo của phần tử chất lỏng trong két trộn như trên hình 2.11. Phần tử chất lỏng sẽ có quĩ đạo chuyển động trong két trộn là một đường cong và chịu tác động của hai lực cơ bản:

- Lực quán tính ly tâm tác dụng lên phần tử chất lỏng do cánh khuấy tạo nên:

. 2

.ck ck

R mr

F   , [N] (2.27)

Trong đó: m - khối lượng của phân tử chất lỏng [kg]; ωck - tốc độ góc quay của cánh khuấy [1/s]; rck – bán kính cánh khuấy [m].

- Hợp lực của lực trọng trường và lực dịch chuyển do mức chất lỏng trong két trộn giảm đi khi cấp nhiên liệu cho động cơ:

v g

H F F

F  

, [N] (2.28)

Lực Fg - Lực trọng trường tác dụng vào phần tử chất lỏng:

Fg =m.g , [N] (2.29)

Lực Fv - Lực tác động lên phân tử chất lỏng do sự giảm mức chất lỏng trong két khi động cơ tiêu thụ nhiên liệu:

dt m dv

Fv  . cl , [N] (2.30)

trong đó: vCL - Vận tốc thay đổi của mức chất lỏng [m/s].

Việc xác định các lực tác động đến phân tử chất lỏng và thời gian phân tử chất lỏng lưu lại trong két trộn có liên quan mật thiết đến thời gian trộn chất lỏng hay bội số tuần hoàn của phân tử chất lỏng trong két trộn. Thời gian phân tử chất lỏng lưu lại trong két trộn nhất thiết phải lớn hơn thời gian trộn (công thức 2.23) thì chất lượng trộn liên tục sẽ được đảm bảo.

Thời gian lưu lại của phần tử chất lỏng trong két được tính theo công thức:

CL kt

r v

t  H , [s] (2.31)

Trong đó: Hkt - chiều cao của chất lỏng trong két trộn [m].

Phân tử chất lỏng chuyển động từ trên xuống dưới chịu sự tác động của lực trọng trường và chuyển động của lượng chất lỏng thoát ra khỏi két trộn (lượng chất lỏng này đúng bằng lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ trong một đơn vị thời gian), do đó tr cũng có thể tính theo công thức:

CL kt

r Q

t  V

, [s] (2.32)

Vkt - Thể tích chất lỏng trong két trộn, được xác định bằng biểu thức:

4 . . kt2 kt

kt

H C D

V 

 , [m3]

(2.33) Trong đó: Dkt – Đường kính két trộn [m]; C - hệ số dự trữ nhiên liệu cần thiết theo quy định của Đăng kiểm Việt Nam, có giá trị từ 1,5 đến 2.

QCL - Thể tích chất lỏng ra khỏi két trộn trong một đơn vị thời gian, được xác định dựa trên thể tích nhiên liệu dùng cho cho động cơ làm việc ở chế độ tải định mức:

CL e e CL

CL CL

N g Q m



 3600.

 .

 , [m3/s] (2.34)

Vậy có thể tính được thời gian lưu lại của phân tử chất lỏng trong quá trình trộn như sau:

CL kt kt

r Q

H D t C

. 4

. . . 2

 , [s] (2.35)

Để đảm báo chất lượng của quá trình trộn, nên chọn thời gian trộn cần thiết:

tr = (2÷3) tm hoặc tm =tr/(2-3) , [s] (2.36) Kích thước của két trộn với thể tích cơ bản theo các tỷ lệ giữa đường kính két, chiều cao két, đường kính cánh khuấy, loại cánh khuấy như nêu tại bảng 2.2 sau:

Bảng 2.2. Hệ số hình dạng và định nghĩa

Hệ số hình dạng Tỷ số Mô tả

S1 Dkt/dck Đường kính của két/đường kính của cánh khuấy

S2 Zck/dck Chiều cao cánh khuấy so với đáy két/đường kính của cánh khuấy

S3 Lck/dck Chiều dài cánh khuấy/đường kính của cánh khuấy

S4 dck/wck Đường kính của cánh/chiều rộng của cánh S5 Dkt/Bcc Đường kính của két/chiều rộng của cánh

cản

S6 Hkt/dck Chiều cao của cột chất lỏng/đường kính của cánh

S7 - Số lượng cánh của cánh khuấy S8 Độ [0] Góc nghiêng cánh

S9 - Số lượng cánh cản

Để thực hiện lựa chọn được động cơ điện thích hợp với công suất tính toán cho một thiết bị hòa trộn nhất định, dựa trên hai công thức như sau [17, 19]:

PCT  Np.nck3 .dck5 .cl

(2.37)

 ck ck cl cl

p d n

N  2. . /

(2.38) Bảng 2.3 cho thấy những số liệu tham khảo đối với các loại hệ số hình dạng khác nhau tác động đến hệ số công suất trộn của thiết bị.

Bảng 2.3. Hệ số công suất Np đối với các loại cánh khuấy khác nhau và các thông số hình dạng [17, 19]

Loại cánh Số cánh

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 Hệ số Np

Chân vịt 6 3 0,75 -1,3

- - 10 2,7-

3,9

3 Hành trình=D

4 0,35

Chân vịt 6 3 0,75 -1,3

- - 10 2,7-

3,9

3 Hành trình=2D

4 0,9

Tuabin có cánh nghiêng

4 - - - 8 12 - 6 45o 4 1,5

Tuabin có cánh thẳng

4 - - - 8 12 - 6 0o 4 3

Tuabin có cánh cong

8 - - - 8 12 - 6 0o 4 2,7

Tuabin có cánh phẳng

6 3 0,5- 1,3

0.25 -0.4

3-4 6-10 3,7- 5,0

6 0o 4 7

Tuabin có cánh phẳng

6 3 0,75 -1,3

0,25 5 25 2,7- 3,9

6 0o 4 4

Nếu đã biết tính chất vật lý của chất lỏng, đường kính của cánh khuấy và vận tốc cánh khuấy cùng với hệ số công suất từ các công thức đã nêu, trên cơ sở có tính đến tổn thất năng lượng do ma sát của trục quay và các ổ đỡ.

Pmotor = PCT/ηtđ (2.39)

Với ηtđ – Hiệu suất truyền động điện.