Tài liệu Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng số buồng hòa trộn hai pha chất lỏng không nén được

TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM VIỆN CƠ KHÍ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƢỜNG ĐỀ TÀI “MÔ PHỎNG SỐ SỰ HOÀ TRỘN CÁC LOẠI LƯU CHẤT KHÁC NHAU TRONG MÁY KHUẤY.” Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN CHÍ CÔNG. Thành viên tham gia: VŨ VĂN DUY. Hải Phòng, tháng 5/ 2016 MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT .......................................................... 4 DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................. 7 MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 9 1.Tính cấp thiết ......................................................................................... 9 2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................... 10 3. Đối tượng nghiên cứu ......................................................................... 10 4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 10 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................ 10 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ KHUẤY ........................... 12 1.1. Khái niệm máy khuấy ...................................................................... 12 1.2. Ứng dụng của máy khuấy trong đời sống xã hội ............................. 12 1.3. Phân loại và cấu tạo máy khuấy ...................................................... 13 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................ 16 2.1. Lý thuyết về sự trao đổi năng lượng giữa dòng chất lỏng và bánh công tác ........................................................................................................... 16 2.2. Lý thuyết và các phương pháp tính toán thiết kế cánh hướng trục theo phương pháp phân bố xoáy ..................................................................... 23 2.3. Cơ sở lý thuyết mô hình VOF ( Volume of fliud) trong Ansys Fluent............................................................................................................... 29 CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG BUỒNG HOÀ TRỘN . 31 3.1. Mô hình buồng hoà trộn................................................................... 31 3.2. Tính toán các kích thước cơ bản ...................................................... 33 2 3.3. Mô phỏng số quá trình hoà trộn ....................................................... 37 3.3 Phân tích kết quả ............................................................................... 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 51 3 DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa  Hiệu suất lưu lượng và hiệu suất thủy lực B Hiệu suất làm việc của bơm tl Hiệu suất thủy lực Q Hiệu suất lưu lượng ZCH , Z Số cánh của bánh công tác và cánh hướng Z Số cánh của bánh công tác D Đường kính bánh công tác db Đường kính bầu bánh công tác 1 ,  2 Góc đặt cánh tại lối vào và lối ra cánh  Vận tốc góc của bánh công tác n Số vòng quay của động cơ ns Số vòng quay đặc trưng Q, Qlt Lưu lượng , lưu lượng lý thuyết của bơm H , H lt Cột áp và cột áp lý thuyết của bơm N , N B , Ntl Công suất, công suất của bơm , công suất thủy lực  Góc va , 1 Lưu số vận tốc, lưu số vận tốc mỗi cánh 4  Độ dày cánh v Hệ số nhớt động học F Lực khối đơn vị E Nhiệt dung riêng của chất lỏng keff Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng Jj Thông lượng khếch tán Sh Bao hàm nhiệt của phản ứng hóa học vào các nguồn nhiệt khác  Góc bao của tiết diện cánh R, Rtb Bán kính,bán kính trung bình CK Hiệu suất cơ khí i Số cấp của bơm  Trọng lượng riêng của nước N tr Công suất trên trục Mx Mô men xoắn trên trục V Vận tốc dòng b Chiều rộng tại cửa vào , cửa ra U Vận tốc vòng H Cột áp lý thuyết tại vô cùng Si Chiều dài của đường dòng i trên mặt cắt kinh tuyến 5 Qi Lưu lượng của mặt dòng i K2 Hệ số hiệu chỉnh, Mô men vận tốc dòng vmi Vận tốc kinh tuyến của mặt dòng i L Động lượng T Nhiệt độ 6 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1: Một số loại máy khuấy thông dụng ........................................... 12 Hình 1. 2: Sơ đồ kết cấu của máy khuấy .................................................... 14 Hình 1. 3: Kết cấu của thiết bị khuấy liên tục ............................................ 14 Hình 1. 4: Một số dạng vòi phun thông dụng ............................................. 15 Hình 2. 1: Tam giác vận tốc máy thuỷ lực cánh dẫn .................................. 19 Hình 2. 2: Sơ đồ lưới prôfin mỏng vô cùng và phân bố xoáy trên đường nhân. .................................................................................................................... 23 Hình 2. 3: Biểu đồ quan hệ ......................................................................... 25 Hình 2. 4: Biểu đồ để xác định góc va ........................................................ 26 Hình 2. 5: Các đường cong biểu diễn quan hệ phụ thuộc của L* vào bước lưới tương đối T/L và góc đặt l của prôphin. .................................................... 27 Hình 2. 6: Đồ thị để xác định bổ sung độ cong tính tới ảnh hưởng của chiều dầy prôfin. ................................................................................................. 28 Hình 3. 1: Buồng hoà trộn sử dụng kết cấu thông dụng ............................. 31 Hình 3. 2: Buồng hoà trộn có sử dụng ống Ventuari .................................. 32 Hình 3. 3. Hình dáng Profil cánh sau khi tính toán .................................... 36 Hình 3. 4: Cánh bánh công tác buồng hoà trộn .......................................... 37 7 Hình 3. 5: Bánh công tác của buồng hoà trộn............................................. 38 Hình 3. 6: Mô hình 3D của buồng hoà trộn ................................................ 38 Hình 3. 7: Khối chất lỏng khảo sát ............................................................. 39 Hình 3. 8: Khối chất lỏng sau khi lưới hoá ................................................. 40 Hình 3. 9: Cài đặt đơn vị và kiểm tra lưới của mô hình phỏng ................. 40 Hình 3. 10: Chọn mô hình thuật giải cho bài toán mô phỏng .................... 41 Hình 3. 11: Chọn vật liệu cho bài toán mô phỏng ...................................... 42 Hình 3. 12: Đặt điều kiện về pha cho bài toán............................................ 42 Hình 3. 13: Đặt điều kiện biên cho bài toán ............................................... 43 Hình 3. 14: Lựa chọn phương pháp giải bài toán và các biến điều khiển. . 43 Hình 3. 15: Lựa chọn điều kiện ban đầu ..................................................... 44 Hình 3. 16: Đặt tiêu chuẩn hội tụ cho bài toán ........................................... 44 Hình 3. 17: Tính toán .................................................................................. 45 Hình 3. 18: Phân bố pha tại mặt cắt dọc của buồng hoà trộn ..................... 45 Hình 3. 19: Phân bố pha tại mặt cắt trước bánh công tác 0.1m .................. 46 Hình 3. 20: Phân bố pha tại mặt cắt phía sau bánh công tác 0.1m ............. 46 Hình 3. 21: Phân bố pha tại mặt cắt phía sau bánh công tác 0.15m ........... 47 Hình 3. 22: Phân bố pha tại mặt cắt phía sau bánh công tác ...................... 47 Hình 3. 23: Đường dòng tại mặt cắt dọc buồng hoà trộn ........................... 48 Hình 3. 24: Đường dòng qua cánh và bánh công tác.................................. 48 Hình 3. 25: Phân bố vận tốc dọc trục trên mặt cắt dọc của buồng hoà trộn.49 8 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết Cùng với sự phát triển của nền kinh tế là nhu cầu về các sản phẩm tiêu dùng ngày tăng cao như các sản phẩm về thực phẩm, các sản phẩm về tiêu dùng, công nghiệp hoá chất, công nghiệp hoá dược ..... Trong các ngành công nghiệp này quá trình khuấy trộn đóng vai trò rất quan trọng nó ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm. Ví dụ như trong công ,nghệp chế biến thực phẩm, công nghiệp sản xuất phân bón, công nghiệp đồ uống, công nghiệp hoá chất và đặc biệt trong nông nghiệp. Trong nông nghiệp quá trình khuấy trộn dùng để hoà trộn các loại phân bón, thuốc trừ sâu và các loại thuốc bón lá và các chế phẩm sinh học. Chất lượng hoà trộn trong quá trình khuấy là sự trộn đồng đều giữa các pha là chỉ tiêu quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và đánh giá hiệu quả của máy khuấy. Trong quá tình khuấy buồng hoà trộn có vai trò quan trọng nhất quyết định chất lượng của hỗn hợp sau khi khuấy. Ở ngoài nước, một số cơ quan và tổ chức nước ngoài đã có những nghiên cứu tính toán về động lực học của máy khuấy trong một số ngành công nghiệp như công nghiệp thực phẩm, công nghiệp polyme, công nghiệp hoá chất...và cũng đạt được một số thành công nhất định. Trong nước,một số đơn vị thuộc các viện nghiên cứu và các trường đại học như Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Đại học Công nghiệp, Viện cơ khí... đã đầu tư nghiên cứu tính toán thiết kế máy khuấy trộn và bước đầu thu được những kết quả quan trọng nhưng do hạn chế về thời gian cũng như kinh phí mà quá trình nghiên cứu còn gặp nhiều khó khăn. Việc tính toán thiết kế máy khuấy có chức năng vừa khuấy trộn và phun liên tục phục vụ cho mục đích nông nghiệp chưa được đầu tư nghiên cứu một cách sâu sắc 9 Như vậy việc nghiên cứu tính toán, thiết kế và mô phỏng buồng hoà trộn liên tục trở thành một nhu cầu thiết yếu có vai trò quan trọng với sự phát triển của một số ngành công nghiệp đặc biệt với ngành phát triển nông nghiệp trong nước 2. Mục đích nghiên cứu Tính toán thiết kế buồng hoà trộn hai chất lỏng có khối lượng riêng khác nhau phục vụ nông nghiệp. 3. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Tính toán thiết kế buồng hoà trộn hai chất lỏng có khối lượng riêng khác nhau phục vụ nông nghiệp 4. Phạm vi nghiên cứu Tìm hiểu vai trò của máy khuấy trong nền sản xuất trong nước và ngoài nước. Nghiên cứu lý thuyết quá trao đổi năng lượng giữa dòng chất lỏng và bánh công tác, lý thuyết tính toán thiết kế cánh bánh công tác Cơ sở lý thuyết phần mềm Ansys và mô hình hỗn hợp nhiều pha trong Ansys Fluent. Mô phỏng quá trình khuấy trộn bằng phần mềm Ansys fluent 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Tính toán thiết kế buồng hoà trộn - Đưa ra quy trình tính toán lý thuyết và mô phỏng cho máy khuấy các môi chất khác nhau. 10 - Làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và đồng nghiệp trong và ngoài trường. 11 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ KHUẤY 1.1. Khái niệm máy khuấy Máy khuấy là một thiết bị thủy khí dùng để khuấy hai hay nhiều môi chất khác nhau tạo thành một hỗn hợp đồng đều giữa các pha phục vụ cho mục đích của con người. Hình 1. 1: Một số loại máy khuấy thông dụng 0-1 1.2. Ứng dụng của máy khuấy trong đời sống xã hội Máy khuấy có một số ứng dụng quan trọng trong các ngành nhiều ngành trong đời sống xã hội đặc biệt là trong ngành công nghiệp hoá chất, sản xuất phân bón, và đặc biệt trong nông nghiệp. Trong công nhiệp hoá chất máy khuấy tham gia vào quá trình hoà trộn các dung môi khác nhau để tạo thành hỗn hợp hoá chất cần thiết phục vụ cho nhu cầu con người. Ngoài ra quá trình khuấy trộn còn có mục đích tăng cường tốc độ phản ứng cho các chất trong hỗn hợp, cung cấp oxy cho quá trình lên men và các quá trình phản ứng khác ..... 12 Trong công nghiệp sản xuất phân bón quá trình khuấy có vai trò quan trọng trong việc tạo ra hỗn hợp phân bón có tỷ lệ các chất phù hợp với từng giai đoạn phát triển và từng loại cây trồng. Trong ngành công nghiệp này quá trình khuấy đóng vai trò then chốt ảnh hưởng đến chất lượng của phân bón Trong nông nghiệp quá trình khuấy đóng một vai trò đặ biệt quan trọng trong việc bón phân, phun dung dịch thuốc trừ sâu, phun dung dịch bón lá và các dung dịch chế phẩm sinh học khác. Ngày nay với việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật vào trong nông nghiệp các hỗn hợp phân bón, thuốc trừ sâu, thuốc bón lá ... được hoà trộn với nhau thành dung dịch và được tưới cho cây trồng thông qua hệ thống tưới nhỏ giọt và hệ thống phun do đó quá trình khuấy trộn các loại chế phẩm nông nghiệp càng trở nên quan trọng. 1.3. Phân loại và cấu tạo máy khuấy 1.3.1. Phân loại Dựa theo biên dạng bánh công tác của máy khuấy chúng được phân loại thành các loại sau. - Máy khuấy dạng mái chèo - Máy khuấy cánh hướng trục - Máy khuấy dạng mỏ neo Dựa theo quá trình khuấy có thể phân loại thành - Thiết bị khuấy gián đoạn - Thiết bị khuấy liên tục 1.3.2. Kết cấu Trong phần này chúng ta nghiên cứu cấu tạo của hai thiết loại thiết bị khuấy là thiết bị khuấy từng mẻ và thiết bị khuấy liên tục 13 a). Cấu tạo cơ bản của thiết bị khuấy liên tục 3 4 5 2 1 Hình 2.2 :Sơ đồ động phương án 1 Hình 1. 2: Sơ đồ kết cấu của máy khuấy 1- Cánh khuấy; 2- Bộ truyền bánh răng 3- Động cơ; 4- Hộp giảm tốc; 5- Bộ truyền đai. b). Cấu tạo cơ bản của thiết bị khuấy liên tục Hình 1. 3: Kết cấu của thiết bị khuấy liên tục 14 Trong thiết bị này hỗn hợp các chất lỏng được tạo ra một cách liên tục bằng cách bơm liên tục qua hai đầu vào hai chất lỏng được tiếp tục hoà trộn với nhau thông qua buồng hoà trộn và sau đó được phun liên tục qua vòi phun. Kích thước của các hạt chất lỏng cũng như diện tích phun sau khi hỗn hợp này qua vòi phun phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng của chất lỏng sau khi hoà trộn và cấu tạo của vòi phun CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 1. 4: Một số dạng vòi phun thông dụng 15 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Lý thuyết về sự trao đổi năng lượng giữa dòng chất lỏng và bánh công tác Để xét sự trao đổi năng lượng của dòng chất lỏng với cánh bánh công tác ta áp dụng định lý biến thiên mômen động lượng. Định lý biến thiên mômen động lượng, ta có thể phát biểu đối với dòng chất lỏng như sau. Biến thiên mômen động lượng của khối chất lỏng chuyển động qua bánh công tác trong một đơn vị thời gian đối với trục quay của bánh công tác thì bằng tổng mômen ngoại lực tác dụng lên khối chất lỏng đó với trục, tức là bằng mômen quay của bánh công tác. Xét một dòng nguyên tố trong khối chất lỏng chuyển động qua bánh công tác. Dòng nguyên tố có lưu lượng, động lượng của nó tại mặt cắt 1-1 là: dK1  d (mc1 )   dQc1 (2.1) Tại mặt cắt 2-2 là: dK2  d (mc2 )   dQc2 (2.2) Trong đó m,  là khối lượng và khối lượng riêng của chất lỏng, c là vận tốc tuyệt đối. Mômen động lượng của dòng nguyên tố trong một đơn vị thời gian là: dL1  dK1l1   dQc1 R1cos1 dL2  dK 2l2   dQc2 R2cos 2 (2.3) Vậy biến thiên mô men động lượng của dòng nguyên tố chất lỏng trong một đơn vị thời gian là: L  dL2  dL1   dQ(c2 R2cos 2  c1R1cos1 ) (2.4) 16 Vì đã giả thiết các dòng nguyên tố chảy qua bánh công tác là như nhau, nên biến thiên mômen động lượng của toàn bộ khối chất lỏng chuyển động qua bánh công tác bằng tổng các biến thiên mômen động lượng của các dòng nguyên tố:  L    dQ(c2 R2cos 2  c1R1cos1 ) (2.5) Trong đó là lưu lượng dòng chảy qua bánh công tác ( chính bằng lưu lượng lý thuyết của máy). Gọi M là mômen ngoại lực tác động lên trục quay, tức là mômen quay của trục thì: M   L (2.6) M   Q(c2 R2cos 2  c1R1cos ) Đối với bánh công tác tuabin thì động lượng của dòng chảy giảm theo chiều dòng chảy từ lối vào đến lối ra của bánh công tác. Tính tương tự như trên ta có: M  Q(c1R1cos  c2 R2cos 2 ) (2.7) Vậy đối với máy thuỷ lực cánh dẫn nói chung, phương trình mômen có dạng tổng quát. M  Q(c2 R2cos 2 c1R1cos ) (2.8) ( Hàng dấu trên đối với máy, hàng dấu dưới đối với tuabin) Qua phương trình ta thấy rõ cơ năng của máy thuỷ lực cánh dẫn trao đổi với chất lỏng liên quan mật thiết với các thông số động học của dòng chảy và kích thước, kết cấu cánh dẫn của bánh công tác. Phương trình cột áp. 17 Ta đã biết cộ áp của máy thuỷ lực là năng lượng đơn vị của dòng chất lỏng trao đổi với máy thuỷ lực, nó chính là công của một đơn vị trọng lượng chất lỏng trao dổi với máy. Công suất của máy quan hệ với cột áp là: Ntl   Q1H1   gQ1H1 (2.9) Trong đó Q1 là lưu lượng lý thuyết chưa kể tới tổn thất. H1 Cột áp của máy ứng với trường hợp dòng chảy qua máy theo giả thiết đã nêu( không có tổn thất, bánh công tác có số cánh nhiều vô cùng). Mặt khác mômen quay M quan hệ với công suất trên trục của bánh công tác là: N  M (2.10) Nếu không kể tới tổn thất thì công suất thuỷ lực bằng công suất trên trục quay, do đó: M    gQ1H1 (2.11) Thay trị số của M theo vào biến đổi ta có H1  (c2 R2cos 2 c1R1cos ) g (2.12) Ta có: .R1  u1 .R2  u2 (2.13) 18 Hình 2. 1: Tam giác vận tốc máy thuỷ lực cánh dẫn Từ tam giác vận tốc (Hình 2.1) ta có c1cos1  c1u ; c2cos2  c2u nên biểu thức có thể viết (u2c2 u1c1 ) g H1  (2.14) Đối với máy ly tâm ta có: H1  (u2c2  u1c1 ) g (2.15) Trong các máy ly tâm hiện đại, đa số các bánh công tác có kết cấu lối vào hoặc bộ phận dẫn hướng vào sao cho dòng chất lỏng ở lối vào máng dẫn chuyển động theo phương hướng kính nghĩa là để cột áp của máy có lợi nhất. Khi đó phương trình cơ bản sẽ là: H1  u2 c2 g (2.16) Từ phương trình cơ bản của máy cánh dẫn nói chung. H1  (u2c2  u1c1 ) g (2.17) Đối với máy hướng trục ta có: u2  u1  u (2.18) c1u  0 Ở lối vào bánh công tác dòng chất lỏng chưa có chuyển động quay 19 Vậy phương trình cơ bản viết cho máy hướng trục là: H1  u2c2u g (2.19) Hoặc H1d  w12  w 22 c22  c12  2g 2g (2.20) Là phương trình cơ bản của máy hướng trục. Như vậy cột áp của máy hướng trục được tạo nên do sự chênh lệch giữa các thành phần vận tốc tương đối ở lối vào và lối ra bánh công tác. So sánh với cột áp của máy hướng trục không có thành phần lực ly tâm tham dự, mà thành phần này đối với máy ly tâm rất quan trọng vì là thành phần chủ yếu tạo nên cột áp của máy. Do tính chất này ma máy hướng trục có những đặc điểm sau: Cột áp của máy hướng trục không thể lớn bằng cột áp của máy ly tâm. Cột áp tĩnh của máy hướng trục chỉ do độ mở rộng các máng dẫn của bánh công tác tạo nên ( w1  w 2 ). Thành phần vận tốc tương đối trong máy hướng trục có ý nghĩa quan trọng. Các máng dẫn của bánh công tác có độ mở rộng thích đáng để tạo nên cột áp tĩnh cần thiết cho máy w1 >>w 2 . Điều này gây nên tổn thất phụ thêm, vì lực quán tính của dòng chảy qua máng dẫn có vận tốc thay đổi lớn. Để giảm bớt tổn thất phụ thêm đó, các cánh dẫn của máy hướng trục cần được gia công chính xác và có độ nhẵn bề mặt cao. Trong máy ly tâm thì w1  w 2 . Công thức cho ta thấy rằng để dòng chất lỏng qua bánh công tác máy hướng trục được cân bằng thì cánh dẫn phải kết cấu sao cho cột áp của mỗi 20