khuấy chất lỏng

Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc

Contents
Contents............................................................................................................................................1
1.TRÍCH YẾU...............................................................................................................................1
1.1. Mục đích :.............................................................................................................................1
1.2. Phương pháp TN:.................................................................................................................2
1.3. Kết quả thí nghiệm:..........................................................................................................2
2. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM:.............................................................................................3
2.1. Khái niệm:..........................................................................................................................3
2.2. Xác đònh công suất cánh khuấy P:...............................................................................3
2.3. Giản đồ công suất và các chuẩn số đặc trưng:......................................................3
2.4. Nguyên tắc khuếch đại đồng dạng...............................................................................5
2.5. Tiên đoán công suất trong các hệ thống thực:.........................................................5
3. THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM:.................................................................5
3.1. Thiết bò TN :........................................................................................................................5
3.2. Phương pháp TN:.................................................................................................................6
3.3. Nội dung TN........................................................................................................................6
4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM:..................................................................................................6
4.1. Số liệu thơ..............................................................................................................................6
4.2. Trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CT2.....................................................................7
4.3. Trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CT3.....................................................................8
4.4. Trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CP2.....................................................................9
4.5. Trường hợp khuấy dầu bằng cánh khuấy CT2....................................................................10
4.6. Xây dựng giản đồ Công suất khuấy – Vận tốc khuấy cho bồn nhớt 50m3
đồng dạng bồn nhớt thí nghiệm:.........................................................................................11
5. BÀN LUẬN:.........................................................................................................................12
6. PHỤ LỤC.................................................................................................................................18
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................19

1.TRÍCH YẾU
1.1. Mục đích :
Khảo sát giản đồ chuẩn số công suất khuấy Np với nhiều hệ thống có hình dạng khác
nhau.

Trang 1

1


Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc

1.2. Phương pháp TN:

Đo lực ma sát F bằng cách đọc chỉ số trên lực kế sau mỗi giá trò vận tốc khuấy N.

Tính công suất cánh khuấy.
 Tính chuẩn số Reynold.
 Tính chuẩn số công suất .
 Vẽ giản đồ thể hiện quan hệ giữa Re & N p – gọi là giản đồ chuẩn số công suất
( khi đã bỏ qua ảnh hưởng của chuẩn số Froude) cho 2 hệ thống đồng dạng là bình
dầu & bình nhớt .
1.3. Kết quả thí nghiệm:
- Sau khi thí nghiệm, đo đạc và tính toán ta thu được 4 giản đồ chuẩn số công suất khuấy
(Np) theo chuẩn số Re cho từng trường hợp chất lỏng là nhớt và dầu (Đồ thò phần 4.4)
- tất cả các trường hợp, vận tốc khuấy đều dưới 1100 vòng/phút. Trên 1100
vòng/phút, máy bò lắc mạnh.

- Nhận xét kết quả TN:
• Trong trường hợp có tấm chặn thì chẩn số công suất luôn lớn hơn trong
trường hợp không có tấm chặn. Nghóa là công suất tiêu hao P cho khuấy
có tấm chặn lớn hơn khi không có tấm chặn với cùng một giá trò vận tốc
khuấy.
• Khuấy dầu dễâ tạo lõm xoáy hơn khi khuấy nhớt.

Trang 2

2


Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc

2. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM:
2.1. Khái niệm:
Khuấy là quá trình làm giảm sự không đồng nhất trong chất lỏng. Đó là sự chênh lệch
về nồng độ, độ nhớt, nhiệt độ… ở những vò trí khác nhau trong lòng chất lỏng.
2.2. Xác đònh công suất cánh khuấy P:
Công suất khuấy P phụ thuộc nhiều yếu tố được biễu như sau:
P = f ( N , d , µ , ρ , D, H , Z , các kích thước khác)
(1)
Bằng phương pháp phân tích thứ nguyên, người ta thiết lập các phương trình chuẩn số
tính công suất khuấy dưới dạng:
P = N p .N 3 .d 5 .ρ
(2)
bò:

Trong đó Np là chuẩn số công suất, nó phụ thuộc vào chế độ thủy động lực học của thiết
N p = f (Re, Fr , Ga,...)

(3)

Với:
• Np =

P
: Chuẩn số công suất, vô thứ nguyên.
N d 5ρ

• Re =

d2 Nρ
: Chuẩn số Reynolds của cánh khuấy, tỷ số giữa lực ly tâm & lực ma sát
µ

3

N2 d
: Chuẩn số Froude, tỷ số giữa lực ly tâm & lực trọng trường, đặc trưng cho
g
sự hình thành xoáy phễu.
• Fr =

d Z H
, , , S1 , S2 ,... là các thừa số hình dạng của hệ thống.
Dt Dt Dt
Trong đó :

♦
P : Công suất khuấy (W).
♦
N : Vận tốc cánh khuấy (1/s).
♦
d : Đường kính cánh khuấy (m)
♦
ρ : Khối lượng riêng của chất lỏng khuấy (kg/m3).
♦
µ : Độ nhớt động lực học chất lỏng khuấy (N/s.m).
Như vậy vấn đề ước đoán công suất khuấy rất phức tạp vì cần biết rõ cả ảnh hưởng
của hình dáng hệ thống.
2.3. Giản đồ công suất và các chuẩn số đặc trưng:
Trên thực tế, người ta chỉ đo được ảnh hưởng của chuẩn số Reynolds và Froude trên
chuẩn số công suất sau khi đã xác đònh các thừa số hình dạng.
- Chuẩn số công suất:
Ta có thể viết:
P = Ff.v = J.A.v
A ~ d2
•

Trang 3

3


Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc

v ~ πdN
Trong đó :
• Ff : Lực ma sát.
• v : vận tốc lưu chất.
• J : Hệ số ma sát.
• A : Diện tích cánh khuấy vuông góc với phương chuyển động của dòng lưu chất.
• d : Đại lượng chiều dài.
P
Jd3N
J
J
P
=
~
~ 2 2 ~ 2
Vậy
0
5 3
5 3
d Nρ d Nρ d Nρ vρ

(4)

Ta thấy chuẩn số công suất có ý nghóa của một thùa số ma sát.
- Chuẩn số Reynolds cánh khuấy:
Suy thẳng từ đònh nghóa chuẩn số Re của dòng chảy khi thay vận tốc v bằng số vòng quay
N
D.v.ρ d2 .N.ρ
Re =
=

(5)
µ
µ
- Chuẩn số Froude:
Là tỉ số giữa lực ly tâm và gia tốc trọng trường
d.N2
v2
Fr =
=
g
d.g

(6)

Chính quân bình giữa hai lực này tạo nên xoáy lốc hình phễu. Xoáy lốc này gây ra lực
phụ tác dụng ngang lên trục khuấy, lực này sẽ rất lớn nếu độ sâu xoáy phễu lớn hơn độ sâu
cánh khuấy tính từ mặt thoáng chất lỏng và khi đó khí sẽ lọt vào chất lỏng làm giảm đáng kể
hiệu suất khuấy. Sự tạo phễu còn gây sự đảo, lắc trục khuấy nếu trục khuấy không được lắp
đặt chính tâm. Vận tốc khuấy càng cao thì khả năng tạo xoáy phễu càng lớn, để khắc phục
hiện tượng này, người ta bố trí những tấm chặn để ngăn cản sự tạo phễu, khi này hiệu suất
khuấy tăng lên nhưng công suất cánh khuấy cũng tăng lên do sức cản khuấy tăng.
- Nếu lực ly tâm nhỏ (Re < 300) thì chuẩn số Fr chưa đáng kể (gần bằng số không)và
công suất khuấy trong trường hơp có tấm chắn và không có tấm chắn là như nhau, xoáy lốc
chưa xuất hiện.
- Ở chuẩn số Re cao trong bình không có tấm chắn người ta gộp ảnh hưởng của chuẩn
số Fr vào chuẩn số công suất qua đònh nghóa của chuẩn số công suất hiệu chỉnh:
Np
Np* =
(7)
Fr m

Lũy thừa m tùy thuộc hình dáng của cánh khuấy và của hệ thống
a − log(Re)
m=
(8)
b
Trong đó : a,b là các hằng số phụ thuộc hình dạng cánh khuấy và các thừa số hình dạng.
Đối với chong chóng 3 cánh bước 2 có H/D t = 3,3 và Z/d = 1 thì a = 1,7
và b = 18,0.
Trang 4

4


Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc

Một cách tổng quát, ta có :
Np 0 = f ( Re, Fr ) = C N Re α Fr α 2

(9)

Trong đó : CN, α1, α2, là các hằng số phụ thuộc chế độ khuấy.
Nếu lưu chất khuấy có chế độ chảy :
• Chảy tầng : α1 = -1, α2 = 0 khi này P0 = CNRe-1.
• Chảy rối có tấm cản : α1 = 0, α2 = 0 khi này P0 = CN .
a − log(Re)
• Chảy rối không có tấm cản : α1 = 0, α2 =
, trở lại trường hợp trên.
b

2.4. Nguyên tắc khuếch đại đồng dạng
Hai hệ thống được gọi là đồng dạng hoàn toàn khi chúng thỏa mãn đồng thời :
• Đồng dạng hình học.
• Đồng dạng động học.
• Đồng dạng động lực học.
Mô hình đồng dạng hoàn toàn đòi hỏi tất cả các chuẩn số vô thứ nguyên tương ứng
bằng nhau.
Khi cần thiết kế một hệ thống khuấy lớn cho công nghiệp, người ta thường tạo một mô
hình nhỏ rồi đo thực nghiệm giản đồ công suất của mô hình này. Vì có đồng dạng hình học
giữa hai hệ thống nhỏ và lớn nên giản đồ áp được cho cả haivà có thể dùng để tiên đoán
công suất cũng như cường độ khuấy trong nhà máy: đây là nguyên tắc khuếch đại đồng dạng.
Trong thực tế, nhiều khi rất khó thực hiện mô hình đồng dạng hoàn toàn, nếu hai hệ
thống lớn nhỏ gần đống dạng nhưng có vài dò biệt thì ta có thể dùng hệ số hiệu chỉnh thực
nghiệm.
Tuy nhiên bằng thực nghiệm người ta nhận thấy : N p = f (Re) . Có 3 phương pháp xác
đònh chuẩn số công suất Np
• Xác đònh Np theo phương pháp giải tích :
−m
• Xác đònh Np theo phương trình chuẩn số : N p = C. Re
, các giá trò
C & m được xác đònh qua các bảng tra.
• Xác đònh Np theo đồ thò (dùng giản đồ công suất).
2.5. Tiên đoán công suất trong các hệ thống thực:
Khi cần thiết kế một hệ thống khuấy trọn trong công nghiệp, người ta tạo một mô hình
mẫu nhỏ rồi xây dựng giản đồ chuẩn số công suất cho mô hình này. Mô hình mẫu phải đồng
dạng với mô hình thực tế. Vì sự đồng dạng này mà mô hình lớn có thể dùng chung giản đồ
của mô hình mẫu. Từ đó ta có thể tiên đoán công suất thực cần thiết.
3. THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM:
3.1. Thiết bò TN :
2 bình chứa dầu và nhớt

•
Trang 5

5


Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc

2 cánh khuấy turbine CT2, CT3 & 1 cánh khuấy chân vòt CP2
1 trục gắn cánh khuấy
•
1 bộ tấm chặn 4 tấm
•
1 động cớ ¼ mã lực có thể thay đổi vận tốc 0 – 1200v/ph bằng hộp số
•
1 lực kế lò xo có thang đo 0 – 2lbf
•
1 vận tốc kế có 3 thang đo ( 0- 3000; 0- 600; 0 – 1200v/ph) (ở đây chọn thang đo
•
0-3000)
3.2. Phương pháp TN:
3.2.1. Đo công công suất khuấy:
Công suất khuấy P được tính bằng công thức:
P = 2π .r.F .N
(10)
Trong đó: r = 5 inch là khoảng cách từ vò trò gắn lò xo đến trục động cơ; F-lực ma
sát giữa chất lỏng và cánh khuấy, N- số vòng quay cánh khuấy
3.2.2. Vận tốc khuấy N:

Đọc trên vận tốc kế (v/ph)
3.3. Nội dung TN
(1) Chọn lưu chất dầu hay là nhớt để tiến hành TN
(2) Chọn cánh khuấy turbine (CT2 hay CT3) hay cánh khuấy chân vòt CP2 lắp vào
trục khuấy
(3) Đôi với nhớt điều chỉnh tốc độ khuấy là 300,400,500,600. Còn đối với dầu thì
chọn tốc độ khuấy là 200,300,400,500 vòng/phút
* Chú ý khi tiến hành TN :
• Không nên chạy máy quá 1100vòng/phút máy sẽ rung, nguy hiểm
• Khi đọc vận tốc luôn thử để vận tốc kế ở thang 0 -1200prm trước. Nếu thấy chưa
đủ chính xác thì mới giảm xuống thang đo nhỏ hơn . Tránh để kim chỉ nhảy quá
mức tối đa của thang đo.
• Mỗi khi bật tắt động cơ hay thay đổi vận tốc khuấy, phải dùng tay giữ động cơ
cho lực ban đầu không làm động cơ xoay mạnh sẽ gây va chạm và làm hư máy.
• Khi tháo lắp cánh khuấy , trục … không để rơi xuống làm vỡ bình.
• Trước khi dùng lực kế phải chỉnh về 0 khi động cơ quay .
• Khi quay hộp số để điều chế vận tộc, phải tháo rời lò xo khỏi động cơ.
•

4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM:
4.1. Số liệu thơ.
Chất lỏng
Nhớt

-cánh khuấy CT2

Không có tấm
Trang 6

Vận tốc khuấy

(vòng/ph)
300

F(lbf)
0.035
6


Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc
chặn

Có tấm chặn

- cánh khuấy
CT3

Không có tấm
chặn

Có tấm chặn

- cánh khuấy
CP2

Không có tấm
chặn

Có tấm chặn

Dầu

-cánh khuấy CT2

Không có tấm
chặn

Có tấm chặn

400
500
600
300
400
500
600
300
400
500
600
300
400
500
600
300
400
500
600
300

400
500
600
200
300
400
500
200
300
400
500

4.2. Trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CT2
CT2
Nhớt-Không có tấm chặn
N(v/ph)
N(v/s) F(lbf) F(N) P(W)
Re
300
5.000 0.035 0.156 0.621 272.195
400
6.667 0.045 0.200 1.065 362.926
500
8.333 0.065 0.289 1.923 453.658
600
10.000 0.07 0.312 2.486 544.390
Nhớt- Có tấm chặn
Trang 7

0.045

0.065
0.07
0.055
0.06
0.085
0.085
0.021
0.04
0.045
0.05
0.05
0.06
0.08
0.07
0.03
0.04
0.045
0.03
0.045
0.05
0.08
0.06
0.028
0.038
0.045
0.05
0.036
0.04
0.058
0.07

Np
2.271
1.642
1.518
1.135

Ghi chú

7


Khuấy chất lỏng
N(v/ph)
300
400
500
600

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc
N(v/s)
5.000
6.667
8.333
10.000

F(lbf)
0.055
0.06
0.085

0.085

F(N)
0.245
0.267
0.378
0.378

P(W)
0.977
1.420
2.515
3.018

Re
272.195
362.926
453.658
544.390

4.3. Trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CT3
Nhớt-Không có tấm chặn
N(v/ph)
N(v/s) F(lbf) F(N) P(W)
Re
300
5.000 0.021 0.093 0.373 189.024
400
6.667 0.04 0.178 0.947 252.032
500

8.333 0.045 0.200 1.332 315.040
600
10.000 0.05 0.223 1.775 378.048
CT3
Nhớt- Có tấm chặn
N(v/ph)
N(v/s) F(lbf) F(N) P(W)
Re
300
5.000 0.05 0.223 0.888 189.024
400
6.667 0.06 0.267 1.420 252.032
500
8.333 0.08 0.356 2.367 315.040
600
10.000 0.07 0.312 2.486 378.048

Trang 8

Np
3.568
2.190
1.985
1.379

Ghi chú

Np
3.390
3.632

2.615
2.018

Ghi chú

Np
8.072
5.449
4.650
2.825

Ghi chú

8


Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc

4.4. Trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy CP2

CP2

N(v/ph)
300
400
500
600

N(v/s)
5.000
6.667
8.333
10.000

N(v/ph)
300
400
500
600

N(v/s)
5.000
6.667
8.333
10.000

Nhớt-Không có tấm chặn
F(lbf) F(N) P(W)
Re
0.03 0.134 0.533 272.195
0.04 0.178 0.947 362.926
0.045 0.200 1.332 453.658
0.03 0.134 1.065 544.390
Nhớt- Có tấm chặn
F(lbf) F(N) P(W)
Re
0.045 0.200 0.799 272.195
0.05 0.223 1.184 362.926

0.08 0.356 2.367 453.658
0.06 0.267 2.131 544.390

Trang 9

Np
1.946
1.460
1.051
0.487

Ghi chú

Np
2.920
1.825
1.869
0.973

Ghi chú

9


Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc

4.5. Trường hợp khuấy dầu bằng cánh khuấy CT2
Dầu-Không có tấm chặn

N(v/ph)
N(v/s) F(lbf) F(N) P(W)
Re
200
3.333 0.028 0.125 0.331 303.072
300
5.000 0.038 0.169 0.675 454.608
400
6.667 0.045 0.200 1.065 606.144
500
8.333 0.05 0.223 1.480 757.680
CT2
Dầu- Có tấm chặn
N(v/ph)
N(v/s) F(lbf) F(N) P(W)
Re
200
3.333 0.036 0.160 0.426 303.072
300
5.000 0.04 0.178 0.710 454.608
400
6.667 0.058 0.258 1.373 606.144
500
8.333 0.07 0.312 2.071 757.680

Trang 10

Np
4.291
2.588

1.724
1.226

Ghi chú

Np
5.517
2.724
2.222
1.716

Ghi chú

10


Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc

4.6. Xây dựng giản đồ Công suất khuấy – Vận tốc khuấy cho bồn nhớt 50m3 đồng dạng bồn
nhớt thí nghiệm:
Đường kính bồn nhớt thực tế: D = 4.572m
Chọn loại cánh khuấy mái chèo đồng dạng với cánh khuấy CT2 có đường kính
d = 1.45161 m (trường hợp có tấm chặn)
Vận tốc khuấy
(vòng/s)
0.0152
0.0182
0.0202

0.0253

Re

Np

300
360
400
500

3.15
2.25
2.05
1.7

P
(W)
0.06058
0.07477
0.09345
0.15136

4.4. Đồ thò

Trang 11

11

Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc

5. BÀN LUẬN:
5.1. Ảnh hưởng của tấm chặn đến công suất khuấy:
- Trong các thí nghiệm, ta luôn thấy với cùng một vận tốc khuấy, trường hợp lắp tấm
chặn sẽ có chuẩn số công suất (hay công suất) khuấy cao hơn so với không lắp tấm chặn.
Khi vận tốc khuấy nhỏ, công suất khuấy khi có và không có tấm chặn chênh
lệch không nhiều.Vì lúc này ảnh hưởng lực ly tâm không đáng kể, lúc này chưa xuất hiện
xoáy phễu, dòng lưu chất không tác dụng nhiều với tấm chặn nên ảnh hưởng của tấm chặn
không thể hiện rõ.
Khi vận tốc khuấy lớn, lực ly tâm cũng lớn, xuất hiện xoáy phễu trong thiết bò
không có tấm chặn.Nếu có tấm chặn, trở lực cản trở dòng chảy xoáy tròn của chất lỏng trong
bồn khuấy tăng, chất lỏng sẽ va đập vào các tấm chặn, truyền bớt năng lượng, giảm vận tốc,
chảy theo biên tấm chặn, không tạo thành xoáy phễu. Khi đó chất lỏng ngoài tiếp xúc với
bình còn ma sát với tấm chặn, mất thêm năng lượng , đồng thời chất lỏng dội ngược về va
chạm nhiều hơn với cánh khuấy, nên công suất khuấy khi có tấm chặn cần phải lớn hơn.
Trong trường hợp có tấm chặn nếu dùng một công suất bằng với trường hợp không lắp tấm
chặn thì do trở lực dòng chảy đó, vận tốc khuấy sẽ đạt giá trò thấp hơn. Vì vậy, để đảm bảo
được vận tốc khuấy cần thiết, ta phải cung cấp một công suất lớn hơn trường hợp không lắp
tấm chặn
-Trong bài thí nghiệm, công suất khuấy (P) được tính theo công thức : P = N P.N3.d5.ρ
(W). Có thể thấy công suất khuấy tỉ lệ thuận với chuẩn số công suất khuấy N P. Do đó có thể
Trang 12

12


Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc

dựa vào giản đồ công suất khuấy để nhận xét. Kết quả thí nghiệm thực tế tương đối chính xác
so với lí thuyết. Trường hợp lắp tấm chặn chuẩn số công suất khuấy cao hơn hẳn so với thành
trơn => Công suất khuấy cao hơn.
2. Sự tiêu thụ năng lượng của từng loại cánh khuấy
Với cùng một loại cánh khuấy và cùng điều kiện thí nghiệm về các thông số khác,
đường kính cánh khuấy càng lớn thì năng lượng tiêu thụ càng lớn.
Trong trường hợp đó, năng lượng tiêu thụ phụ thuộc vào tiết diện vuông góc với vận
tốc dài của cánh khuấy. Tiết diện càng lớn, lực cản của chất lỏng lên cánh khuấy càng
lớnnăng lượng tiêu hao để thắng lực cản đó càng lớn.
Lực cản này được biểu diễn bởi phương trình của Newton :
dv
P = µ. A.
dy
Trong đó :
• P : Lực cản (N).
• µ : Hệ số nhớt động lực học (N.s/m2).
• A : Tiết diện vuông góc với vận tốc dòng chảy.
• dv/dy : Gradient vận tốc lưu chất theo phương vuông góc dòng chảy.
Trong thí nghiệm, ta thấy
- Cánh khuấy CT2 tiêu thụ năng lượng lớn hơn cánh khuấy C T3, thể hiện ở chỗ công
suất khuấy lớn hơn. Vì: cánh khuấy C T2 có đường kính 3 inch, cánh khuấy C T3 có đường kính
2.5 inch diện tích bề mặt vuông góc vận tốc dài cánh khuấy của cánh khuấy C T3 lớn hơn.
- Cánh khuấy CP2, tuy có đường kính bằng với cánh khuấy C T3, tuy nhiên cấu tạo của
nó có dạng chong chóng, phần tiết diện vuông góc với vận tốc dài của nó bé hơn cả cánh
khuấy CT3 vì thế nó tiêu thụ năng lượng thấp nhất. Có một điểm cần lưu ý là do cấu tạo như
chong chóng, cánh khuấy CP2 sẽ làm tăng lực đẩy theo chiều trục, vì vậy nó sẽ tăng cường
khuấy trộn dọc.

•

Xét thực tế bài thí nghiệm, kết quả tương đối chính xác so với lí thuyết. Vẽ giản đồ so
sánh công suất tiêu thụ của các loại cánh khuấy trong trường hợp khuấy nhớt (có tấm
chặn và không có tấm chắn) có thể thấy được mối tương quan này. Như vậy ta có thể
thấy mức tiêu thụ năng lượng của các loại cánh khuấy lần lượt là
CT2 > CT3 > CP2
Ngoài ra, trên đồ thò có một số điểm không chính xác là do sai số trong quá trình thí
nghiệm.

Trang 13

13


Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc

3. Khoảng cách giữa các vận tốc trong trường hợp khuấy dầu lớn hơn khuấy nhớt:
Theo hướng dẫn thí nghiệm : với nhớt có thể chọn vận tốc 200, 400,600, 800 và 1000;
với dầu có thể chọn 50, 400, 700, 900, 1100.

Trang 14

14


Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc

Do độ nhớt của dầu nhỏ hơn nhiều so với nhớt, chỉ gần bằng phân nửa. Vì vậy lực ma
sát đo được khi khuấy dầu sẽ nhỏ hơn khi khuấy nhớt. Nếu lấy khoảng vận tốc khuấy hai chất
lỏng giống nhau thì khoảng cách giữa các lực đo được khi khuấy dầu sẽ nhỏ khó phân biệt.
Vì vậy, khoảng cách vận tốc của thí nghiệm khuấy dầu phải lớn hơn thí nghiệm khuấy nhớt
để tăng khoảng cách các lực ma sát đo đượcdễ đọc giá trò trên lực kế.
Khi làm thí nghiệm, vận tốc chọn với nhớt 300, 400, 500, 600; với dầu 200, 300, 400,
500. Khoảng cách giữa vận tốc khi đo với dầu và nhớt không chênh lệch nhau nên đọc giá trò
có phần khó khăn do biên độ dao động của lực kế nhỏ.
4. Trong trường hợp nào thì có xoáy phễu ? Xoáy phễu có lợi hay không. Có những
phương án nào làm mất xoáy phễu ? Bề mặt của xoáy phễu lõm xuống hay lồi lên? Tại sao?
• Chất lỏng khi chuyển động trong thùng khuấy chòu tác dụng của trường lực ly tâm
cánh khuấy, cho nên bề mặt thoáng chất lỏng trong thiết bò từ phẳng chuyển thành
parabol mà đáy của nó tại tâm. Hiện tượng này gọi là sự tạo phễu trong thiết bò khuấy.
Xoáy phễu xuất hiện khi vận tốc xoay của dòng lưu chất lớn, lực ly tâm đủ lớn, sẽ tạo
ra một trường lực cân bằng với trọng lực chất lỏng làm cho bề mặt phần chất lỏng
phân bố theo dạng cong lõm. Dạng cong lõm của xoáy được giải thích theo 2 cách:
+ Theo giải tích:
Mặt thoáng chất lỏng trong thiết bò là mặt cong được biểu diễn bởi phương trình:
dz 0 vt2
=
dr
rg
B.N 2 .d 2
Trong đó: z0 – là độ sâu của phễu, z0 = h1 + h2; z 0 =
2g
B- tham số phụ thuộc vào thông số phân bố tốc độ,ψ 1 B = f(ψ ) được
•

biễu diễn trên đồ thò.
h1-khoảng cách từ mực chất lỏng ban đầu đến đến đáy của lõm xoáy,m
h2- mực chất lỏng dâng lên ở thành thiết bò,m
Rõ ràng lấy tích phân của phương trình trên thì z0 = - f(vt , r, g, …) < 0, do vậy bề mặt của
lõm xoáy (dạng parabol) sẽ lõm xuống.
+ Theo bản chất: lực ly tâm có xu hướng đem các phần tử chất lỏng từ tâm ra ngoài.
Đến thành bình, chúng bò cản lại và ứ đọng tại đó. Vì vậy mật độ các phần tử chất lỏng ở tâm
bình sẽ ít hơn ở ngoài thành bình vì vậy sẽ xuất hiện dạng lõm (do thiếu chất lỏng ở tâm bình
khuấy).
Cánh khuấy chân vòt có tác dụng tăng cường khuấy trộn dọc nên sẽ ít tạo xoáy phễu
hơn.
• Thường thì xoáy phễu không có lợi,vì :
- Sự tạo phễu ảnh hưởng không tốt đến quá trình khuấy. Từ phễu khí có thể xâm
nhập vào môi trường lỏng làm giảm hiệu quả của quá trình khuấy (ta xét khuấy chất lỏng),
đồng thời cánh khuấy chòu tác dụng của lực phụ làm tăng công suất khuấy.
- Chất lỏng còn có thể bò tổn thất do bò tràn ra ngoài
Trang 15

15


Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc

Ngoài ra các chất lỏng đem khuấy thường có tính chất vật lý khác nhau (độ nhớt,
khối lượng riêng), nên dưới tác dụng của trường lực ly tâm có thể xuất hiện khả năng phân ly
(phân lớp) của các chất lỏng, làm giảm hiệu quả của quá trình khuấy (mục đích của khuấy là
làm giảm sự không đồng nhất, sự phân lớp của các chất).
-

• Người ta thường tránh khả năng tạo xoáy phễu bằng các phương án sau:
+ Đặt lệnh tâm cánh khuấy vào bể ( thùng) khuấy: đặt nghiêng hay đặt nằm ngang, nhằm
làm cho những xoáy phễu được tạo thành lệch tâm sẽ va đậm vào thành và dội ngược trở lại,
phá vỡ lõm xoáy mà không làm tăng diện tích tiếp xúc, tăng lực ma sát và tăng công suất
động cơ.
+ Ghép thanh chặn trong thùng khuấy: Ghép thanh chặn ở thành thùng, dùng vòng cản,
thanh rối dòng, các ống thẳng đứng đặt trong thùng, các vòng ống … . Nhược điểm là tăng
diện tích tiếp xúc làm tăng lực ma sát và công suất của động cơ
Tuy nhiên, việc đặt lệch tâm cánh khuấy và ghép thanh chặn trong thùng chắn sẽ xuất
hiện thêm trở lực cục bộ và xuất hiện vùng tù => để giảm thiểu vùng tù ta phải tăng vận tốc
khuấy trộn.
5. Nhận xét mức độ tin cậy của phương pháp đồng dạng.Phân tích trường hợp bồn
“50m3” ở trên:
Phương pháp đồng dạng là phương pháp được ứng dụng nhiều trong nghiên cứu và thiết kế
các hệ thống. Nguyên tắc là hai hệ thống đồng dạng hình học thì có thể sử dụng giản đồ công
suất của hệ thống nhỏ trong thí nghiệm để suy ra cho hệ thống lớn trong thực tế.Phương pháp
này có lợi là do ta có thể tiến hành thí nghiệm ở quy mô nhỏ, ít tốn kém, dễ kiểm soát được
quá trình thí nghiệm. Tuy mức độ tin cậy của phương pháp đồng dạng là không cao nhưng
vẫn có thể chấp nhận được trong khi chưa có một mô hình giải tích chính xác để tính toán các
hệ thống thực.
Mô hình thí nghiệm và mô hình hệ thống thực đồng dạng hoàn toàn khi đáp ứng được
các yêu cầu
- Đồng dạng hình học
- Đồng dạng động học
- Đồng dạng động lực học
Thực tế để đạt được cả 3 yếu tố này là không thế.Ta chỉ có thể tạo được những mô hình gần
đúng
* Ở yêu cầu đồng dạng hình học : khi thiết kế thật sự, ta sẽ gặp sai số khi chế tạo do thiết bò
đo, do cách đọc các giá trò.Ở mô hình nhỏ, sai số có thể nhỏ, nhưng sẽ bò tăng lên khi chuyển

sang mô hình lớn hơn.
Khi các kích thước không gian của 2 mô hình quá khác biệt nhau, nếu dùng một tỷ lệ như
nhau cho mọi chiều không gian thì có thể một kích thước nào đó trên mô hình sẽ quá nhỏ
không thể thí nghiệm được, hoặc ảnh hưởng của sức căng bề mặt trở nên rõ rệt, làm sai lệch
Trang 16

16


Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc

kết quả. Trong trường hợp đó, ta có thể làm mô hình với các tỷ lệ mô hình khác nhau cho
nhiều chiều không gian.
* Ở yêu cầu đồng dạng về động học và động lực học : ta cũng không thể xem xét hết tất cả
các loại lực tác dụng lên hệ thống. Việc lựa chọn, chỉ xét những lực đáng kể đã khiến mô
hình trở nên gần đúng. Khi ở mô hình nhỏ, có những lực không đáng kể, ta có thể bỏ qua,
nhưng ở hệ thống lớn, những lực đó sẽ ảnh hưởng đáng kể đến quá trình. Ví dụ như với hệ
thống lớn, khối lượng lưu chất rất lớn, ta còn phải xét thêm lực quán tính.
Như vậy phương pháp khuếch đại đồng dạng chỉ đáng tin cậy trong một khoảng biến đối
không lớn lắm về kích thước và phải có các yếu tố hình học hoàn toàn phù hợp. Chính vì vậy
khi đem áp dụng vào thực tế người ta thường nhân thêm hệ số hiệu chỉnh để phương pháp có
thể hiệu quả hơn
•

Phân tích trường hợp “bồn nhớt 50m3” ở trên:

Ta thiết kế bồn 50m3 theo tiêu chuẩn đồng dạng hình học (tỉ lệ kích thước với mô hình
thí nghiệm) và tiêu chuẩn động học (dựa vào giản đồ chuẩn số công suất khuấy).Do đó thiết

kế chắn chắn có nhiều sai số.
Nguyên nhân
- Quá trình thí nghiệm có nhiều sai số (chỉnh vận tốc không chính xác,đọc lực kế
không chính xác, sai số khi tính toán) dẫn đến kết quả thiếu chính xác.
- Khi đo gặp sai số hệ thống (của thước đo khi đo kích thước hệ thống, của lực kế, của
vận tốc kế)
- Hệ thống ở thực tế có kích thước lớn hơn nhiều lần so với thí nghiệm nên những sai
số đó sẽ bò nhân lên nhiều lần, khiến cho việc thiết kế và tiên đoán không còn chính xác, khó
áp dụng vào hệ thống.
- Đồng thời điều kiện vận hành thực tế của bồn nhớt ( như nhiệt độ, áp suất..) cũng
chưa thật sự là tương đồng với điều kiện thí nghiệm

6. Chuyển giao giản đồ
Sau khi xây dựng thành công bồn chứa 50m3, điều đầu tiên phải làm đó là làm thực
nghiệm và lập nên giản đồ N P – Re. Sau đó đối chiếu với giản đồ thí nghiệm lí thuyết. Từ đó
xác đònh các hệ số hiệu chỉnh. Sau khi đã làm xong những bước đó, ta đã có một giản đồ
hoàn chỉnh và có thể dùng giản đồ đó để tính toán cho các thiết bò có dung tích lớn hơn dựa
trên giản đồ hoàn chỉnh. Và giản đồ đã lập được có thể áp dụng để thiết kế các thiết bò công
nghiệp và đưa vào sản xuất theo qui mô công nghiệp.

Trang 17

17


Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc

6. PHỤ LỤC

* Các thông số cần thiết:
- Đường kính bình nhớt và dầu lần lượt : DN = 24cm, Dd = 30cm
- Đường kính cánh khuấy: CT2 : d = 3 inch; CT3 : d = 2,5 inch; CP2 : d = 3 inch
- Khối lượng riêng của nhớt và dầu lần lượt là:
ρ N = 852,15kg / m 3 , ρ d = 811,75kg / m 3
- Độ nhớt của nhớt và dầu lần lượt là:
µ N = 90,89cP = 0.09089 Pa.s

µ d = 51,84cP = 0.05184 Pa.s
- Chiều cao mực chất lỏng: nhớt :HN = 16cm; dầu : Hd= 25cm
- Chiều cao mực chất lỏng từ đáy bình đến cánh khuấy : ZN = 10 cm;
- Bề dày tấm chặn: δ = 3mm , bề ngang tấm chặn : b = 2.5 cm.
* Tính toán các giá trò:
N (v / ph)
N (v / s ) =
60
F ( N ) = F (lbf ) × 4.45
P
Np = 3 5
N d ρ

d2 Nρ
Re =
µ
P = 2π .r.F .N

với r = 5 inch

*Tính toán trường hợp bồn nhớt thực tế 50m3:
πD 2

H = 0.007235m 3
- Thể tích bồn nhớt thí nghiệm: VTN =
4
VTT
= 19.05
- Tỉ số đồng dạng hình học: l = 3
VTN
Với VTT = 50m3
Đường kính bồn nhớt thực tế: DTT = D × l =4.572m
- Đường kính cánh khuấy thực tế: d TT = d × l = 1.45161 m
- Chọn giá trò N(v/s) sao cho giá trò Re (tính theo dTT ) ≈ giá trò Re (tính theo d)
- Từ giản đồ Np – Re của cánh khuấy CT2 trường hợp khuấy nhớt, tra giá trò Np cho
trường hợp thực tế.
3 5
- Tính công suất khuấy thực tế: PTT = NpN d TT ρ
o Đơn vò:
1 lbf = 4,45 N
1 inch = 0,0254m
Trang 18

18


Khuấy chất lỏng

GVHD: Cô Nguyễn Thò Như Ngọc

1 v/ph = 1rpm = 1/60 v/s
1 cP = 10-3Pa.s
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1].Tập thể Tác giả bộ môn Máy & Thiết bò – Khoa Công nghệ Hóa học & Dầu khí –
Trường Đại học Bách khoa –Đại học Quốc gia Tp.Hồ Chí Minh, “ Thí nghiệm Quá trình &
Thiết bò”,9/2003.
[2]. Tập thể tác giả, “ Sổ tay Quá trình & Thiết bò Công nghệ Hóa chất – tập 1”,Nhà xuất
bản Khoa học & Kỹ thuật Hà Nội,1992.
[3]. Nguyễn văn Lụa, “Quá trình & Thiết bò Công nghệ Hóa học & Thực phẩm – tập 1 –
Các Quá trình & Thiết bò Cơ học – quyển 1- Khuấy Lắng Lọc ”,NXB –Đại học Quốc gia Tp.
Hồ Chí Minh, 2001.

Trang 19

19