Cơ sở lý thuyết tính toán quá trình sấy và nêu các yếu tố ảnh hưởng tới năng lượng quá trình khuấy trộn

Thiết bị bảo quản chế biến NSTP GVHD:T.S Đinh Vương Hùng
MỤC LỤC
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 2
2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU 3
2.1 Đối tượng nghiên cứu 3
2.2 Phương pháp nghiên cứu 3
3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3
3.1 Lý thuyết tính toán quá trình khuấy 3
3.1.1. Thuỷ động lực học 3
3.1.2. Năng lượng khuấy trộn 9
3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khuấy 11
3.2.1 Thời gian trộn 11
3.2.2 Vận tốc của bộ phận trộn 11
3.2.3 Hệ số nạp đầy của thùng trộn 11
3.2.4 Độ nhớt của nguyên liệu là chất lỏng: 11
4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 11
SVTH: Nguyễn Hồng Phương Lớp: Công thôn 39A
1
Thit b bo qun ch bin NSTP GVHD:T.S inh Vng Hựng
1. T VN
Trong quỏ trỡnh ch bin nụng sn thc phm núi chung t c
cht lng sn phm theo mong mun thỡ quỏ trỡnh khuy trn ht sc quan
trng vỡ quỏ trỡnh khuy trn lm cho cỏc thnh phn trong hn hp to nờn
sn phm c u hn
Vic nghiờn cu tớnh toỏn lý thuyt ca quỏ trỡnh khuy trn l bc c
bn u tiờn cho vic ỏp dng vo thc t. khi thit k cỏc mỏy khuy trn cú
trn u cao lm cho cht lng sn phm c ci thin v mang li hiu
qu kinh t cho ngnh ch bin nụng sn thc phm núi chung v cỏc ngnh
khỏc cú liờn quan khi s dng thit b khuy trn . hiu bit thờm v mụn
bo qun v ch bin nụng sn thc phm nờn tụi tin hnh nghiờn cu c

s lý thuyt tớnh toỏn quỏ trỡnh khuy v nờu cỏc yu t nh hng n nng
lng quỏ trỡnh khuy trn
Khuấy trộn sản phẩm rời và dẻo là quá trình cơ học nhằm xáo trộn hai hay
nhiều thành phần của nguyên liệu thành một hỗn hợp đồng đều.
Các máy trộn đợc sử dụng rất rộng rãi trong chế biến lơng thực và thực phẩm
nh công nghiệp chế biến thức ăn chăn nuôi, công nghiệp sản xuất tinh bột, bánh
mì, bánh kẹo, và nhiều lĩnh vực sản xuất khác, bởi vì chúng có những tác dụng
nh sau :
- Bổ sung chất lợng, mùi vị lẫn nhau giữa các thành phần nguyên liệu, nhờ
đó sẽ làm tăng đợc vị thơm ngon của sản phẩm.
- Làm tăng cờng các phản ứng sinh hóa trong quá trình trộn, ví dụ: trộn nớc
vôi với rơm thái để kiềm hóa, trộn men với các nguyên liệu khác để ủ men,
SVTH: Nguyn Hng Phng Lp: Cụng thụn 39A
2
Thiết bị bảo quản chế biến NSTP GVHD:T.S Đinh Vương Hùng
2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của tôi trong chuyên đề này đó là : Cơ sở lý thuyết tính toán
quá trình khuấy trộn và các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng quá trình khuấy.
2.2 Phương pháp nghiên cứu
Trong bài chuyên đề này tôi đã sử dụng phương pháp nghiên cứu đó là thu
thập và xử lý số liệu .
3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
3.1 Lý thuyết tính toán quá trình khuấy
3.1.1. Thuỷ động lực học
3.1.1.1 Phân bố vận tốc trong thiết bị khuấy
Vận tốc chất lỏng trong thiết bị khuấy v có thể phân tích thành 3 thành phần:
- Vận tốc vòng tiếp tuyến vt
- Vận tốc hướng kính vr
- Vận tốc chiều trục vz

Trị số của chúng được xác định theo các công thức sau:
βα
α
22
1 tgtg
vtg
v
t
++
=
(3.1)
βα
22
1 tgtg
v
v
r
++
=
(3.2)
βα
β
22
1 tgtg
vtg
v
z
++
=
(3.3)

α
,
β
là góc giữa véc tơ vận tốc v của chất lỏng với mặt phẳng thẳng đứng đi
qua trục và với mặt phẳng vuông góc với trục.
Vận tốc của chất lỏng thay đổi theo vị trí của chất lỏng đối với tâm bộ phận
khuấy.
Thực nghiệm đã xác định được phân bố vận tốc chất lỏng với bộ phận khuấy
tuabin, bản trong thùng chứa không có tấm chắn ở độ cao z =15cm (hình 1).
ở chế độ chảy dòng, dạng phân bố vận tốc vt của thiết bị khuấy thùng trơn
không phụ thuộc vào chiều cao z kể từ tâm cánh khuấy. Lúc này toàn bộ chất lỏng
trong thiết bị khuấy được chia làm 2 vùng I và II có danh giới là r
0
và được mô tả
bằng qui luật phân bố vận tốc vt khác nhau.
Vùng qui luật phân bố vận tốc là đường thẳng được mô tả gần đúng bằng công
thức:
rv
i
ω
=
(3.4)
ω
l
- vận tốc chất lỏng lấy gần bằng vận tốc góc
ω
của bộ phận khuấy, s
-1
.
r- khoảng cách của vị trí chất lỏng tới trục khuấy, m.

SVTH: Nguyễn Hồng Phương Lớp: Công thôn 39A
3
Thiết bị bảo quản chế biến NSTP GVHD:T.S Đinh Vương Hùng
Hình 1. Phân bố vận tốc chất lỏng trong thùng khuấy
Vùng II là đường hypebon được mô tả gần đúng theo biểu thức:
m
o
tot
r
r
vv






=
(3.5)
oio
rv
ω
=
r
0
- bán kính của hình trụ phân ranh giới vùng I và II
m- hệ số mũ được xác định bằng thực nghiệm, m = 0,751
Bán kính r
0
có thể lấy như sau: đối với bộ phận khuấy khung bản và chân vịt r

0
=
(0,35 0,45)rk, bộ phận khuấy tuabin r
0
= (0,60,7)rk trong đó rk là bán kính bộ
phận khuấy.
Vận tốc hướng kính vr phân bố đối xứng qua mặt phẳng quay đi qua tâm bộ
phận khuấy và đúng tại mặt phẳng này vr

đạt trị số cực đại vr
max
.
Tỷ số vr / vrmax = 0,64 – 0,81
Một số nhà nghiên cứu đã cho rằng
const
v
v
t
r
=
và vr xác định theo biểu thức sau
khi cánh của bộ phận khuấy phân bố theo hướng kính:
12,0

















=
η
η
n
b
k
tr
r
R
Avv
(3.6)
SVTH: Nguyễn Hồng Phương Lớp: Công thôn 39A
4
Thiết bị bảo quản chế biến NSTP GVHD:T.S Đinh Vương Hùng
R- bán kính thùng khuấy (m)

η
n
- độ nhớt của nước
η
- độ nhớt của chất lỏng được khuấy

A, b- là các hệ số thực nghiệm.
Nếu
η
= (190)Cp(10
-3
90.10
-3
pas) thì A = 0,5350,8204; b = 0,690,42
Vận tốc hướng kính là một đại lượng dùng để xác định hiệu ứng bơm (lưu lượng
mà cánh khuấy đảo trộn được trong một đơn vị thời gian) của cánh khuấy.
ở chế độ chảy dòng dạng phân bố vận tốc vt phụ thuộc rất nhiều vào chiều cao
z. Kể từ tâm bộ phận khuấy khi z = 0 dạng phân bố vận tốc vt gần trùng với trường
hợp chảy xoáy.
3.1.1.2 Sự tạo phễu
Khi các thiết bị khuấy quay nhanh và thùng khuấy làm việc ở chế độ chảy xoáy
sẽ có hiện tượng tạo phễu kèm theo. Bề mặt của chất lỏng khuấy tụt xuống tại vùng
trục và dâng lên ở vùng sát thành của thùng (hình 2).
Hình 2. Hiện tượng tạo phễu
Khi tạo phễu, sự chuyển động tròn của chất lỏng bị hạn chế, gây mất mát năng
lượng và tạo bọt trong khối chất lỏng. Hiện tượng tạo phễu gắn liền với chế độ thuỷ
động lực học của chất lỏng trong thùng khuấy, đặc biệt là số vòng quay của bộ
phận khuấy. Vì vậy cần phải xác định số vòng quay giới hạn của bộ phận khấy để
loại trừ hiện tượng tạo phễu.
Độ sâu h của điểm M bất kỳ trên bề mặt chất lỏng so với điểm đáy phễu 0 được
xác định theo công thức:
rg
v
dr
dh
2

=
(3.7)
Công thức (3.7) thiết lập dựa trên nguyên tắc lực tổng tác dụng lên bất kì phần
tử nào ở bề mặt chất lỏng đều phải vuông góc với bề mặt chất lỏng tại điểm chứa
phần tử đó.
Tại điểm M có 2 lực tác động: lực li tâm Flt và trọng lực G. Lực tổng hợp F có
SVTH: Nguyễn Hồng Phương Lớp: Công thôn 39A
5
Thiết bị bảo quản chế biến NSTP GVHD:T.S Đinh Vương Hùng
phương vuông góc với bề mặt chất lỏng. Góc hợp bởi phương của lực Ft và Flt là
ϕ
. Ta có: tg
ϕ
=
lt
F
G
Thay giá trị vận tốc vòng vt

=
r
ω
và
m
tt
r
r
vv )(
0
0

=
vào công thức (3.7) với giả
thiết Rek
≥
10
4
rồi tiến hành tích phân, ta được:
2
0
2
2
)(
2
2
k
k
r
r
dn
gh
π
=
với r < r
0
(3.8)
])(
11
1[)(
2
2

0
2
0
2
2
2
m
k
k
r
r
mmr
r
dn
gh
−
−+=
π

với r >r
0
(3.9)
Độ sâu của phễu so với mức chất lỏng ban đầu khi thể tích chất lỏng trong thùng
không đổi v = const; m = 0,75 là:
5,3
0
4
0
2
0

2
222
)(67,2)(75,1)())(
2
)((
R
r
R
r
R
r
r
R
g
dn
h
k
k
p
−+=
π
(3.10)
Gọi CT là hệ số tạo phễu:
22
k
p
T
dn
gh
C =

(3.11)
Công thức xác định giá trị của chuẩn số Frud khuấy giới hạn:
k
pgh
T
rugh
d
h
C
F
1
=
(3.12)
pgh
h
- chênh lệch giữa mức chất lỏng ban đầu và mặt trên của bộ phận khuấy.
Khi Rek<10
4
hệ số tạo phễu có thể tính gần đúng theo công thức:
8,0
3
'
)
10.4
(
ek
TT
R
CC =
(3.13)

CT
’
- hệ số tạo phễu ứng với Rek

= 10
4
Sự tạo phễu là nguyên nhân gây lên lực ngang phụ tác dụng lên trục khuấy. Lực
này sẽ rất lớn nếu như độ sâu
p
h
của phễu đạt tới giá trị giới hạn
pgh
h
. Ngoài ra khi
tạo phễu không khí sẽ được hút vào bộ phận khuấy làm giảm hiệu suất khuấy trộn.
Vì vậy, trong quá trình khuấy trộn luôn phải giữ
pghp
hh <
.
Để đảm bảo điều kiện này cần lấy trị số độ sâu hp như sau:
Dh
p
33,0≤
D- đường kính thùng khuấy (m)
Từ công thức (3.13) ta có thể xác định được số vòng quay giới hạn:
2
DC
gh
d
D

n
T
pgh
k
gh
=
,v/p (3.14)
Số vòng quay làm việc nlv cần phải nhỏ hơn
gh
n
.
Nếu lấy
Dh
p
33,0=
thì số vòng quay làm việc:
SVTH: Nguyễn Hồng Phương Lớp: Công thôn 39A
6
Thiết bị bảo quản chế biến NSTP GVHD:T.S Đinh Vương Hùng
DC
g
d
D
n
Tk
lv
33,0
=
(3.15)
Ngoài việc xác định số vòng quay giới hạn, để tránh khả năng tạo lõm, người ta

thường còn áp dụng các biện pháp sau:
- Đặt cánh khuấy lệch tâm thùng, đặt nghiêng hoặc nằm ngang, ví dụ cánh
khuấy chân vịt ở hình 3.
Hình 3. Cách đặt cánh khuấy
- Ghép thanh chắn ở thành trong của thùng. Quanh thành thùng có thể gắn từ 2
đến 6 thanh có bề ngang chiếm 1/10 - 1/15 đường kính thùng, đặt sát bề mặt thùng
hoặc với khoảng cách 2 - 4cm. Chiều dài của thanh ít nhất gấp đôi đường kính cánh
khuấy (hình 3a)
- Vòng ống quanh cánh khuấy, đặc biệt đối với cánh khuấy tua bin có tác dụng
cho dòng chất lỏng chuyển động dọc theo hướng bán kính và sự giảm mạnh vận tốc
ở tâm của thùng (đồng nhất hoá dòng). Đường kính ngoài của vòng ống nhỏ hơn
D/2, (hình 3b)
- Đặt các ống thẳng đứng trong thùng (ống dẫn, nhiệt kế )

-
Hình 4. Cách đặt thanh chắn và vòng ống
a) Thanh chắn; b) Vòng ống
SVTH: Nguyễn Hồng Phương Lớp: Công thôn 39A
7
Thiết bị bảo quản chế biến NSTP GVHD:T.S Đinh Vương Hùng
Thanh rối dòng dùng cho cánh khuấy mỏ neo (hình 4). Thanh rối có tác dụng
hạn chế sự giảm năng lượng của cánh khuấy trong thùng nhờ tự tạo được dòng
xoáy có thể dùng cho cánh khuấy có chiều dài 4÷5m.
Hình 5. Cánh khuấy mỏ neo và thanh rối
- ống dẫn dòng, đặc biệt thích nghi cho bể sâu và khi cần kéo các hạt rắn lên.
Diện tích bên trong và bên ngoài phòng luôn giữ không đổi (đường kính ống dẫn
dòng bằng 71% đường kính bể). Cánh khuấy chân vịt phải đặt trong ống, nhưng
cánh khuấy tuabin lại đặt bên ngoài (hình 5). Quá trình khuấy trộn thường kèm theo
quá trình truyền nhiệt. Nhiệt được dẫn vào có thể qua ống xoắn hoặc dùng thiết bị 2
vỏ. Vì vậy khi chọn cánh khuấy luôn lưu ý đến quá trình truyền nhiệt (nếu có).

Trong thực tế không thể đáp ứng đồng thời cả khuấy trộn lẫn truyền nhiệt, vì vậy
tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể, có thể ưu tiên cho quá trình truyền nhiệt hoặc ưu tiên
cho quá trình trộn.
SVTH: Nguyễn Hồng Phương Lớp: Công thôn 39A
8
Thiết bị bảo quản chế biến NSTP GVHD:T.S Đinh Vương Hùng
Hình 6. Bố trí ống dẫn dòng
a) Cánh khuấy chân vịt; b) Cánh khuấy tua bin
3.1.2. Năng lượng khuấy trộn
3.1.2.1 Phương trình cơ bản để xác định công suất
Việc xác định công suất tiêu hao cho khuấy trộn được dựa trên giả thiết bơm
vận chuyển tuần hoàn và vận chuyển động trong môi trường đàn hồi.
- Phương trình tính toán công suất khuấy trộn dựa trên giả thiết bơm tuần hoàn.
Trong trường hợp này bộ phận khuấy trộn được coi như một bơm vận chuyển
chất lỏng có lưu lượng vận chuyển bằng hiệu ứng bơm:
3
kBb
ndCvQ ==
m
3
/s (3.16)
áp suất của chất lỏng vận chuyển chính là áp suất động học H:
22'
2
2
kH
H
dnC
vC
H

ρ
ρ
==
(3.17)
v- vận tốc chất lỏng m/s
ρ
- khối lượng riêng của chất lỏng được khuấy kh/m
3
CH hay CH
’
hệ số tính đến tiêu hao năng lượng do ma sát giữa chất lỏng và
bộ phận khuấy, giữa chất lỏng với nhau.
CH
’
hệ số chuyển đổi từ CH nhưng có kể đến các yếu tố qui đổi từ v qua n và
dk
n- số vòng quay của bộ phận khuấy ,v/p.
Công suất tiêu hao cho quá trình khuấy trộn được xác định theo công thức tính
công suất bơm:
ρρ
5353'
kNkHB
dnKdnCCQHN ===
(3.18)
N- công suất khuấy trộn, w
KN - hệ số công suất hay còn gọi là chuẩn số công suất chính là chuẩn số
Euk. Trị số KN phụ thuộc vào các yếu tố hình học, công nghệ của máy khuấy và
bản chất vật lý của môi trường khuấy.
SVTH: Nguyễn Hồng Phương Lớp: Công thôn 39A
9

Thiết bị bảo quản chế biến NSTP GVHD:T.S Đinh Vương Hùng
- Phương trình tính toán công suất dựa trên giả thiết vận chuyển động trong
môi trường đàn hồi.
Theo Niutơn-Karman thì lực cản tác dụng vào một vật chuyển động trong môi
trường đàn hồi được tính như sau:
ρ
2
2
1
FvCP
p
=
(3.19)
P - lực cản tác dụng lên vật chuyển động, N
F - diện tích tiết diện của mỗi cánh bộ phận khuấy tức theo phương chuyển
động, m
2
v - vận tốc chuyển động, m/s
ρ
- khối lượng riêng của môi trường lỏng, kg/m
3
Diện tích F được tính theo công thức:
F = CFdk
2
(3.20)
CF hệ số tính đến hình dạng, tỷ lệ và góc nghiêng của cánh đối với phương
chuyển động.
Vận tốc v của điểm đặt lực P được xác định theo công thức:
kv
ndCv =

(3.21)
Cv - hệ số vận tốc tính đến yếu tố chuyển động
Như vậy trở lực P của môi trường tác động lên bộ phận khuấy có Z cánh được
xác định theo công thức:
ρρ
42'422
2
1
kPkVFP
dnCdnCCZCP ==
(3.22)
CP
’
- hệ số trở lực phụ thuộc vào yếu tố hình học, yếu tố công nghệ của máy
khuấy và môi trường khuấy. Có thể tính CP=(0,751,12)
µ
µ
- độ nhớt động học của chất lỏng được khuấy, cm
2
/s
Công suất khuấy trộn được xác định thêo công thức:
ρρ
5353'
kNkVP
dnkdnCCPkN ===
(3.23)
N- công suất khuấy trộn, W
v- vận tốc chuyển động của bộ phận khuấy trộn m/s
3.1.2.2 Hệ số công suất
Từ hai công thức trên ta rút ra được công thức chung để xác định công suất

khuấy trộn:
ρ
53
kN
dnkN =
(3.24)
Như vậy muốn xác định công suất khuấy trộn cần phải xác định hệ số công suất
kN. Việc tính chính xác hệ số này bằng giải tích sẽ gặp nhiều khó khăn và thường
dẫn đến kết quả khác xa vơí thực nghiệm. Vì vậy, hiện nay người ta thường dùng
phương pháp mô hình hoá vật lý cụ thể là phương pháp phân tích thứ nguyên để
xác định kN.
Kết quả phân tích thứ nguyên đã xác định được chuẩn số công suất kN theo
công thức sau:
SVTH: Nguyễn Hồng Phương Lớp: Công thôn 39A
10
Thiết bị bảo quản chế biến NSTP GVHD:T.S Đinh Vương Hùng
i
k
i
k
i
rkekN
d
l
FCRk
α
αα
)(
21
Π

=
(3.25)
li - kích thước của các yếu tố hình học thứ i, m
k - số kích thước hình học đặc trưng cho máy khuấy;
i
C
ααα
,,,
21
- các thống số của mô hình và được xác định bằng thực nghiệm
i
i
k
i
i
k
i
X
d
l
α
ππ
Π
== ;
(3.26)
Ta có:
XFCRk
rkekN
21
αα

=
(3.27)
3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khuấy.
3.2.1 Thời gian trộn
Khi trộn sản phẩm tơi rời và dẻo thì ảnh hưởng của thời gian trộn đến độ trộn
đều được biểu diễn trên đồ thị hình 4.12a.
Khi t tăng thì độ trộn đều K tăng, nhưng K chỉ tăng đến một giá trị giới hạn Kgh
nhất định là không tăng được.
- Khối lượng riêng của các thành phần nguyên liệu
Khối lượng riêng của các thành phần nguyên liệu được thể hiện bằng tỷ số khối
lượng riêng
2
1
γ
γ
với γ
1
> γ
2
. Trên đồ thị hình 4.12b, khi
2
1
γ
γ
tăng nghĩa là các thành
phần có khối lượng riêng càng khác xa nhau thì độ trộn đều K càng giảm. Nguyên
nhân là do hiện tượng phân lớp của các thành phần nguyên liệu trong hỗn hợp
3.2.2 Vận tốc của bộ phận trộn
Đồ thị phụ thuộc độ trộn đều K với vận tốc v của máy trộn vít ngang và cánh gạt
ngang trong cùng một thời gian trộn. Khi v tăng thì độ trộn đều K tăng, riêng máy

trộn vít ngang khi v > 2 m/s thì độ trộn đều giảm.
3.2.3 Hệ số nạp đầy của thùng trộn
Hệ số nạp đầy của thùng trộn ϕ có ảnh hưởng đến độ trộn đều. Khi ϕ tăng thì K
giảm.
3.2.4 Độ nhớt của nguyên liệu là chất lỏng:
Khi độ nhớt lớn làm cản trở chuyển động quay của bộ phận khuấy, khi đó sẽ tổn
hao công suất. Vì vậy năng lượng của máy khuấy sẽ giảm. Ngược lại, khi độ nhớt
nhỏ thì cánh khuấy quay dễ dàng hơn, nên năng lượng của máy khuấy sẽ tăng.
4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
Trong chuyên đề này tôi đã nghiên cứu tìm hiểu về cơ sở tính toán quá trình
khuấy và nêu được một số yếu tố ảnh hưởng dến năng lượng khuấy.Tuy nhiên, do
SVTH: Nguyễn Hồng Phương Lớp: Công thôn 39A
11
Thiết bị bảo quản chế biến NSTP GVHD:T.S Đinh Vương Hùng
thời gian nghiên cứu chưa nhiều, cũng như do chưa có đủ tại liệu để nghiên cứu
nên chuyên đề này vẫn còn nhiều thiếu sót. Vì vậy tôi rất mong được sự đóng góp ý
kiến của thầy và các bạn để các chuyên đề sau đạt kết quả tốt hơn.Tôi xin chân
thành cảm ơn.
SVTH: Nguyễn Hồng Phương Lớp: Công thôn 39A
12