Vận chuyển chất lỏng | Bài giảng môn quá trình thiết bị | Đại học Bách khoa hà nội

Vận$chuyển$chất$lỏng
Giảng&viên:&Nguyễn&Minh&Tân&
Bộ&môn&QT7TB&CN&Hóa&học&&&Thực&phẩm
Trường&Đại&học&Bách&khoa&Hà&nội Vận$chuyển$chất$lỏng
Muốn vận chuyển phải dùng bơm để cung cấp năng
lượng tạo nên sự chênh lệch áp lực để chất lỏng chảy thành dòng
- Trong công nghiệp Hóa chất và thực phẩm, bơm
được dùng rất phổ biến và đa dạng.
- Phân loại bơm theo đặc trưng cấu tạo Bơm thể tích
Bộ phân tịnh tiến hay quay của bơm làm thay đổi thể
tích bên trong, tạo thành áp suất âm ở đầu hút của
bơm và áp suất dương ở đầu đẩy của bơm, do đó thế
năng áp suất của chất lỏng khi qua bơm được tăng lên Bơm ly tâm
Nhờ lực ly tâm tạo ra trong chất lỏng khi guồng quay
mà chất lỏng được hút vào và đẩy ra khỏi bơm Bơm đặc biệt
Bao gồm các loại bơm không có bộ phân dẫn động
như động cơ điện, máy hơi nước, mà dùng luồng khí
hay hơi làm nguồn động lực. Ví dụ: Bơm tia, bơm sục
khí, thùng nén, xiphông,… Vận$chuyển$chất$lỏng
Các thông số đặc trưng của bơm
năng suất, áp suất toàn phần, công suất, hiệu suất Năng suất của bơm
Với mọi loại bơm, năng suất được tính bằng thể tích chất lỏng được bơm cung cấp trong một đơn vị thời gian Q[m3/s] hoặc [m3/h] Công suất của bơm
Được tính bằng năng lượng tiêu tốn để bơm làm việc
Với các loại bơm có bộ phận dẫn động như động cơ điện, máy hơi nước, công suất của động cơ được tính bao gồm các dạng công thức sau: Công suất hữu ích
Năng lượng mà bơm tiêu tốn để tăng áp suất cho chất lỏng, bằng tích số giữa áp suất toàn phần Δp (năng lượng riêng) và
lưu lượng của dòng chất lỏng: N = gQH ! hi
Công suất trên trục của bơm
Để tạo ra công suất hữu ích cho bơm, công suất trên trục bơm phải bù thêm phần tổn thất do ma sát ở trục, đặc trưng
bởi hệ số hữu ích !b N gQH " hi N = = tr ! ! b b
Công suất của động cơ
Động cơ cần tiêu tốn năng lượng lớn hơn năng lượng do bơm tiêu tốn, vì năng lượng được truyền từ động cơ đến bơm
một phần bị tốn thất do quá trình làm việc của động cơ, sự truyền động giữa trục động cơ và trục bơm do ma sát trên trục.
Được đặc trưng bởi hệ số động cơ và hệ số hữu ích N N N tr hi hi N = = = dc ! ! ! ! ! ! tr dc tr dc b Vậ Vậ n n$$c c h h u u y y ể ể n
n $$cchhấấtt$$llỏỏnngg
Hiệu suất của bơm
η"là đại lượng đặc trưng cho mức độ sử dụng hữu ích năng lượng được truyền từ
động cơ đến bơm, chuyển thành động năng để vận chuyển chất lỏng, được gọi là
hiệu suất của bơm hay hệ số hữu ích. Nhi ! = =! ! ! b tr dc Ndc
Để bơm làm việc an toàn, thường chế tạo động cơ có công suất cao hơn công suất tính toán.
Tỷ số giữa công suất thực tế và công suất tính toán gọi là hệ số dự trữ β N = !N tt dc
β thường được chọn phụ thuộc vào công suất động cơ. Vận$chuyển$chất$lỏng Áp suất toàn phần H
- Đặc trưng cho năng lượng riêng do bơm truyền lại cho một đơn vị trọng lượng chất lỏng.
- Được tính bằng chiều cao để nâng một kg chất lỏng nhờ năng lượng do bơm truyền cho, không phụ
thuộc vào độ nhớt và khối lượng riêng của chất lỏng.
Viết phương trình Bernoulli cho mặt I-I và I’-I’: p w2 p w2 1 1 v v + = + + H + h h m.h g ! 2g g ! 2g
Viết phương trình Bernoulli cho mặt I’-I’ và II-II: p w2 p w2 r r 2 2 + = + + H + h đ m.đ g ! 2g g ! 2g p p w2 ! w2 v 1 1 v = + ! H ! h h m.h g " g " 2g p p w2 ! w2 r 2 2 r = + ! H ! h đ m.đ g " g " 2g
Chênh lệch áp suất giữa đầu vào và đầu ra của bơm: p p ! p p ! p w2 ! w2 w2 ! w2 v r 2 1 2 1 v r = = + +
+ H + H + h đ h m g " g " g " 2g 2g Vận$chuyển$chất$lỏng
Thông thường: w và w gần bằng nhau nên: 1 2
w # w " w ! w = 0 1 2 1 2 Nên: p p ! p w2 ! w2 2 1 v r = + + H + h t m g " g " 2g
Đặt chân không kế trên đường ống hút
Áp kế trên đường ống đẩy Áp suất toàn phần: p p ! p w2 ! w2 p ! p đ h H = = + 2 1 + h H đ h = + h m g " g " 2g g " Vận$chuyển$chất$lỏng p & p w2 ' w2 #
Chiều cao hút của bơm H = 1 ' 1 h h $$ v + v + m.h !! g ( % g ( 2g "
Chiều cao hút của bơm phụ thuộc:
- Áp suất thùng chứa (thường là áp suất khi quyển nếu là bể hở)
Chiều cao hút không vượt quá chiều cao cột chất lỏng ứng với 1at (phụ thuộc chiều cao đặt bơm so với mặt nước biển) p & p w2 ' w2 # H ( 1 ' 1 h h $$ bh + v + m.h !! g ) % g ) 2g "
- Áp suất vào của bơm (áp suất hút)
được quyết định bởi áp suất hơi bão hòa của chất lỏng, do đó phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong thực tế, pv phải lớn hơn pbh
của chất lỏng được bơm.
Áp suất hơi bão hòa của chất lỏng tăng theo nhiệt độ, tại nhiệt độ sôi của chất lỏng, nó bằng áp suất khí quyển. Do
đó, khi nhiệt độ của chất lỏng tăng, chiều có hút sẽ giảm.
-Vận tốc và trở lực trên đường ống hút
Trở lực ma sát, quán tính guồng, hiện tượng xâm thực.
Hằng số trở lực do xâm thực được tính theo công thức thực nghiệm:
Q: năng suất của bơm, m3/s ( 2 Qn2 ) 3 h = 019 , 0 ,m
n số vòng quay của trục bơm xt H
H: áp suất toàn phần của bơm, m Vận$chuyển$chất$lỏng Bơm pittông Bơm$thể$tích
Nguyên tắc làm việc của bơm pittông Cấu tạo:
- Phần thủy lực: phần trực tiếp vận chuyển chất lỏng
- Phần dẫn động: Truyền năng lượng từ động cơ đến bơm, làm chất lỏng chuyển động Phân loại bơm pittông
- Phân loại theo: mục đích, điều kiện làm việc, tính chất chất lỏng cần vận chuyển
- Phân chia theo phương pháp dẫn động:
Bơm có dẫn động: động cơ truyền động qua tay biên quay
Bơm tác dụng bằng hơi: Pittông được nối trực tiếp với máy hơi nước và làm việc nhờ động lực của máy hơi nước Bơm tay
- Phân chia theo cách sắp đặt vị trí Pittông: Bơm nằm ngang Bơm thẳng đứng
- Phân chia theo cách làm việc: Bơm tác dụng đơn Bơm tác dụng kép Bơm vi sai Vận$chuyển$chất$lỏng Bơm tác dụng đơn
- Có 2 loại: nằm ngang, thẳng đứng
- Cấu tạo: một van hút, một van đẩy
- Sau mỗi vòng quay của trục thì pittông chuyển động một luợt sang phải và một lượt sang
trái, chất lỏng được hút và đẩy ra khỏi xi lanh một lần
- Bơm làm việc không đều (nhược điểm chủ yếu) Bơm nhúng chìm
Van đẩy ngay trên pittông, khi pittông chuyển
động lên phía trên, chất lỏng từ bể chứa, qua
van hút vào xi lanh, đồng thời khối chất lỏng
nằm trên pittôngđược đẩy vào ổng đẩy
Khi Pittông chuyển động xuống phía dưới, van
hút đóng, van đẩy mở, chất lỏng phía dưới
pittông chảy lên phía trên pittông
Sau một khoảng chạy của pittông (đi lên): lỏng
hút vào và đẩy ra đồng thời
Lúc pittông đi xuống, chạy không tải Bơm làm việc không đều
Thuận tiện để bơm nước ở giếng sâu, lỗ khoan
(bơm có thể đặt ở lỗ sâu, xa mặt đất) Vận$ Bơ ch m uy $t ể h n ể$ $c tí h ch ất$lỏng Bơm tác dụng đơn Bơm màng
Xi lanh và pittông tách rời khỏi hộp van bằng một lớp màng đàn hồi
Dùng bơm các dung dịch ăn mòn mạnh vì pittông và xilanh không tiếp xúc với môi
trường ăn mòn, van và hộp van và màng được một lớp vật liệu chống ăn mòn bảo vệ Vận$ Bơ ch m uy $t ể h n ể$ $c tí h ch ất$lỏng Bơm tác dụng kép
Có tác dụng như 2 đơn tác dụng đơn
ghép lại với nhau, có 1 xi lanh, một pittông và 4 van
Sau mỗi vòng quay của trục, pittông
chuyển động tới và lui một lần, bơm hút và đẩy 2 lần
Pittông chuyển động về phía phải, chất
lỏng đươc hút vào buồng xi lanh bên
trái qua van hút, đồng thời đẩy chất
lỏng đã có trong buồng xi lanh bên
phải qua van đẩy vào ống đẩy
Pittông chuyển động về phía trái, chất
lỏng được hút vào buồng xi lanh phải
qua van hút, đồng thời đẩy chất lỏng
đã có trong buống xi lanh trái vào ống đẩy qua van đẩy
Ưu điểm: Chất lỏng được bơm đều
đặn hơn bơm tác dụng đơn
Nhược điểm: có nhiều van (bộ phận hay hỏng) Vận$ Bơ ch m uy $t ể h n ể$ $c tí h ch ất$lỏng Bơm vi sai
Cấu tạo: có hai buồng A và b nối với nhau
bằng xi lanh chung , Pittông có đường kính D
lớn và d nhỏ, d nhỏ nối trực tiếp với tay quay,
Buồng A có 2 van: hút và đẩy, Buồng B không có van
Pittông chuyển động sang phải: chất lỏng
được hút vào buồng A qua van hút, chất lỏng
trong buồng B được đẩy vào ống đẩy
Pittông chuyển động về bên trái: van hút
đóng, vai đẩy mở, chất lỏng chuyển động từ
buồng A sang buồng B, một phần chất lỏng ở
buồng A vào ống đẩy vì thể tích Buồng A lớn hơn buồng B
Sau một lần quay của trục, bơm hút 1 lần và đẩy 2 lần
Chọn D= 2d (thể tích buồng A = 2 lần buồng
B) để lượng chất lỏng chảy vào ống đẩy đều đặn. Vận$ Bơ ch m uy $t ể h n ể$ $c tí h ch ất$lỏng Bơm tác dụng ba
Cấu tạo: 3 bơm tác dụng đơn
ghép lại thành một bộ có chung ống hút và ống đẩy
Tay quay của 3 bơm có chung
một trục nhưng lệch nhau 120 độ
Chất lỏng được đưa vào ống
đẩy đều đặn hơn các loại bơm nêu trên
Phân bố lực trên một vòng
quay của trục đều nên bánh đà
của bơm không cần kích thước lớn Vận$chuyển$chất$lỏng
Năng suất của bơm pittông
Năng suất của bơm tác dụng đơn
Q 60Fsn, m3 = / h Hiệu$suất$thể$tích$ vào$khoảng$0,8$– Qt ! = 0,95 0 Q
Q = ! Q = ! 60Fsn,m3 / h t 0 0
Năng suất của bơm tác dụng kép
-Khi Pittông chuyển động về bnên phải, lượng chất lỏng được hút vào xi lanh
bằng Fs, lượng chất lỏng đẩy ra là: (F-f)s.
-Khi Pittông chạy về phía bên trái, lượng chất lỏng được hút vào là: (F-f)s và đẩy ra là Fs.
-Sau mỗi vòng quay của trục, lượng chất lỏng được vận chuyển:
(F ! f )s + Fs = (2F ! f ) 3 s,m Vận$chuyển$chất$lỏng
Năng suất của bơm vi sai
-Khi Pittông chuyển động về bnên phải, lượng chất lỏng được hút vào xi
lanh bằng Fs, lượng chất lỏng đẩy ra là: (F-f)s.
-Khi Pittông chạy về phía bên trái, chất lỏng chảy qua van đẩy là Fs, nhưng
thể tích xi lanh bên phải chỉ chứa được một lượng chất lỏng (F-f)s, còn
thừa một lượng fs ra ống đẩy
-Sau mỗi vòng quay của trục, lượng chất lỏng được vận chuyển: (F ! f ) 3
s + fs = Fs,m
Để chất lỏng được bơm đều:
(F " f )s = fs,m3 ! F = 2 f -Năng suất lý thuyết:
Q = 60n(2F f )s,m3 ! / h Vận$chuyển$chất$lỏng
Hiệu suất thể tích của bơm Pittông
-Hiệu suất thể tích phụ thuộc:
- Độ ì của các van khi đóng và mở
- Độ kín và các đoạn nối - Hiện tượng tích khí
- Những bơm có cấu tạo tốt có hiệu suất thể tích đạt đến 0,97 – 0,99
Bơm không tốt: hiệu suất thể tích chỉ đạt <= 40% Vận$chuyển$chất$lỏng
Đồ thị cung cấp của bơm pittông
Tay biên quay góc 0 và 180 độ thì nằm ngang
- Khi trục quay được một vòng thì pittông chuyển động được quãng đường là 2s
- Mỗi phút trục quay được n vòng, pittông chuyển động được 2sn
- Chiều dài tay biên L rất lớn so với bán kính pittông
- Vận tốc quay của trục Ctr = const
- Vận tốc trung bình của pittông: 2sn 2rn C = = = C sin! 60 30 tr C = wr tr
Thể tích chất lỏng được hút: !rn
V = FC = FC sin! rn ! C ! tr C = C = max 30 = = = max tr 57 , 1 30 C 2rn 2
V = FC = "rF sin! 30 " = 30 s = ! n Vận$chuyển$chất$lỏng
Đồ thị cung cấp của bơm pittông
Đường kính xi lanh và số vòng quay của trục D2 " n Q = s ! ,m3 / s t 4 60 0 Năng suất thực tế:
- Phân loại bơm theo tốc độ quay:
- n = 45 – 60vòng/phút là bơm chậm
- n = 60 – 120vòng/phút là bơm trung bình
- n = 120 – 180 vòng/phút là bơm nhanh Vận$chuyển$chất$lỏng
Đồ thị cung cấp của bơm pittông 2
Đường kính xi lanh và số vòng quay của trục D " n Q = s ! ,m3 / s t 4 60 0
Với bơm dùng động cơ điện, số vòng quay cự đại là 250v/phút
- Với Bơm pittông tác dụng kép, n = 50 -120v/phút
- Tỉ số s/D được cho theo vận tốc trung bình của pittông, lựa chọn theo kinh nghiệm
thực tế, phụ thuộc vào cấu tạo của bơm, s/D = 0,8 – 8:
- Bơm nằm ngang: s/D = 1,4 – 3
- Bơm thẳng đứng: s/D = 0,9 – 1,5
Bơm nén thủy lực: s/D = 3 - 8
- Bơm nước: D<= 50mm, chọn C = 0,2 – 0,5 m/s
- Bơm nước: D<= 150mm, chọn C = 0,5 – 0,9m/s
- Bơm nước: D>= 50mm, chọn C = 1 – 2 m/s
- Bơm có nối trực tiếp vào bộ phận dẫn động thì C = 0,3 – 0,7 m/s Vận$chuyển$chất$lỏng Bơm$thể$tích
Áp suất toàn phần và chiều cao hút của bơm
Vận$tốc$chuyển$động$trung$ bình$của$Pittong Giai đoạn hút: 2 2 p w p C 1 1 v + = +
+ H + h + h 1 m.h 1 g ! 2g g ! 2 i g 2 2 Giai đoạn đẩy: p C p w r 2 2 + = +
+ H + h + h 2 m.đ i2 g ! 2g g ! 2g
Áp suất tác dụng lên bơm chính là hiệu số áp suất hút và áp suất đẩy: p p ! p 2 2 ! v r = = (H + H + + + + + 1 2 ) (h h 2 1 mh mđ ) (h h i1 i2 ) w w g " g " 2g Coi: p = p = p 1 2 a Thông thường 2 2 w ! w 1 2 w " w nên = 0 1 2 2g p 2 p 2 2 = p ! p w ! w H = + w H " h đ h 2 1 = = + + o ! + i H h g # 2g g " g o " 2g