Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Thiết kế chế tạo mô hình và điểu khiển máy khuấy trộn
Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 1 1 TỔNG QUAN 1.1GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG KHUẤY TRỘNQuá trình khuấy hệ lỏng rất thường gặp trong công nghiệp: công nghiệp hoá chất, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp luyện kim, công nghiệp vật liệu xây dựng…Quá trình khuấy có thể được thực hiện trong các ống có chất lỏng chảy qua, trong các bơm vận chuyển, trên đóa của các tháp tinh luyện cũng như trong các thiết bò khuấy hoạt động nhờ năng lượng cơ học đưa vào qua cơ cấu khuấy hoạt động nhờ năng lượng của khí nén.Quá trình khuấy cơ học được sử dụng nhằm mục đích:• Tạo ra các hệ đồng chất từ các thể tích lỏng-lỏng, lỏng-khí, lỏng-rắn có tính chất thành phần khác nhau.GVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 2 • Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt.• Tăng cường quá trình trao đổi chất bao gồm quá trình chuyển khối và quá trình hoá học.Ba loại quá trình điển hình này thực hiện với các loại đồng thể và dò thể khác nhau như hệ lỏng-lỏng, lỏng-khí, lỏng-rắn.1.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ THỐNG KHUẤY TRỘN TRONG CÔNG NGHIỆPTheo nguyên lý làm việc người ta chia ra làm hai loại: liên tục và gián đoạn.Loại làm việc gián đoạn gồm các loại sau:• Máy khuấy thùng quay hình trụ nằm ngang, thẳng đứng, trục chéo, hình lục giác nằm ngang, chữ V.• Máy khuấy nằm ngang một trục, hai trục.• Máy khuấy vít tải thẳng đứng.• Máy khuấy lớp sôi có cánh đảo.Loại làm việc liên tục gồm các loại sau:• Máy trộn vít tải nằm ngang một trục, hai trục.• Máy trộn ly tâm.1.3 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH KHUẤY TRỘN1.1Mức Độ Khuấy TrộnLà sự phân bố tương hỗ của hai hay nhiều chất sau khi trộn. Nó là chỉ tiêu để đánh giá hiệu quả khuấy và có thể sử dụng để đánh giá cường độ khuấy.Theo công thức Hixon-Tenry thì mức độ khuấy là nXIi∑= (1-1)n : số mẫu thử iX: nồng độ mẫu thử lần i và được xác đònh0iiiXφφ= nếu 0iiφ<φ0iii11Xφ−φ−= nếu 0iiφ>φTrong đó iφ, 0iφ là phần thể tích của cấu tử i trong mẫu thử và trong toàn bộ thiết bò.GVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 3 2.2Cường Độ KhuấyNgười ta thường dùng một trong các đại lượng sau đây biểu thò cường độ khuấy:• Số vòng quay n của cánh khuấy.• Vận tốc vòng V của đầu cánh khuấy.• Chuẩn số Reynolds Re=Vnd2 đặc trưng cho quá trình khuấy.• Công suất khuấy riêng: nghóa là công suất chi phí để khuấy một đơn vò thể tích VNNv= (1-2)0.3.3Hiệu Quả Khuấy Hiệu quả khuấy được xác đònh bằng năng lượng tiêu hao để đạt được hiệu ứng công nghệ cần thiết. Thiết bò khuấy có hiệu quả cao nếu nó đạt được yêu cầu đề ra và tốn ít năng lượng nhất và ngược lại. GVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 4 2NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Với những đòi hỏi về mặt kỹ thuật đã nêu trong chương trước cũng như nhu cầu thực tế ngày một cao trong sản xuất công nghiệp bắt buộc người kỹ sư phải có trình độ kỹ thuật cao và kinh nghiệm thực tế phong phú. Do vậy với kiến thức của mình, đề tài của em chỉ trình bày những vấn đề đơn thuần về mặt kỹ thuật mà một người kỹ sư khi thiết kế phải quan tâm đến.Đề tài giới thiệu về các phương pháp đo mức và nhiệt độ thông dụng trong kỹ thuật và trong công nghiệp sản xuất, đồng thời thuyết minh cũng nêu lên một vài phương pháp để xử lý tín hiệu lấy được từ cảm biến theo hai hướng xử lý phần cứng hoặc phần mềm (ở mô hình là cách đo mức sử dụng phần mềm).Mặt khác luận văn cũng trình bày các vấn đề kỹ thuật có liên quan đến mô hình như nguyên lý hoạt động của các loại bơm, sơ đồ mạch điện khuếch đại tương thích giữa hệ điều khiển với và cơ cấu chấp hành. Ngoài ra, phần thuyết minh cung’ giới thiệu một cách cơ bản nội dung phần lý thuyết điều khiển mờ để từ đó có thể phát triển đề tài theo hướng ứng dụng logic mờ trong phần xử lý nhiệt độ của mô hình. Hoặc có thể hướng đề tài theo việc đo mức chất lỏng theo GVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 5 tính liên tục, đây không phải là phần mới nhưng lại rất cần thiết trong sản xuất vì các loại cảm biến mức rất hiếm và đắt ở thò trường Việt Nam. GVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 6 3 THIẾT KẾ HỆ CƠ CỦA MÔ HÌNH3.1TÍNH TOÁN TRỤC KHUẤY TRỘNVì đây là mô hình thí nghiệm nên phần thuyết minh chỉ đưa ra phương pháp để tính toán, để có một kích thước chính xác cần các số liệu thực tế để thay vào công thức từ đó mới xác đònh được kích thước thật của một hệ thống khuấy trộn.Khi tính toán trục khuấy phải biết được sơ đồ chòu lực của nó. Các điều kiện cơ bản để trục khuấy có thể làm việc được chính là điều kiện bền và điều kiện ổn đònh, vì vậy cần phải tính toán trục khuấy theo các điều kiện dao động, theo độ cứng và theo điều kiện bền.Việc tính toán trục theo ổn đònh dao động chính là xác đònh kích thước của trục sao cho vận tốc tới hạn ω1 của nó thoả mãn với các yêu cầu về ổn đònh theo bản sau:GVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 7 Bảng 3.1Môi trường khuấiều kiện ổn đònh của trụcCứng DẻoCơ cấu khuấy bản Các kiểu còn lạiCơ cấu khuấy quay rất nhanhKhí 7.01≤ΩωLỏng-Lỏng,Lỏng-Rắn 7.01≤Ωω và 55.045.01−≠Ωω 7.01≤Ωω 6.13.11−=ΩωLỏng-Khí 4 01≤Ωω 6.01≤ΩωTrục quay với vận tốc góc 30nπ=Ω nhỏ hơn vận tốc góc tới hạn ω1 gọi là trục cứng và ngược lại (nghóa là Ω>ω1) gọi là trục dẻo. Khi trục quay với tần số Ω=ω1 thì sẽ dẫn tới cộng hưởng, lúc này chuyển vò của trục sẽ tới vô cùng nếu không có lực cản.nh hưởng của sức cản tại các vùng xa cộng hưởng (các vùng làm việc) là không đáng kể. Sức cản chỉ ảnh hưởng lớn lên chuyển vò của trục trong vùng cộng hưởng, còn hầu như ít ảnh hưởng tới giá trò của tần số dao động riêng (tốc độ tới hạn) của trục. Trong tính toán kỹ thuật hoặc xác đònh đường kính trục từ điều kiện ổn đònh dao động rồi kiểm tra hoặc kiểm tra trục theo điều kiện ổn đònh dao động và điều kiện cứng sau khi xác đònh kích thước của nó từ điều kiện bền.Tính toán trục theo điều kiện cứng nhằm kiểm tra xem chuyển vò dài ở trạng thái động của trục tại các tiết diện đặc biệt (như nơi đặc hộp đệm, nơi có thể xảy ra va chạm giữa cánh khuấy và các thiết bò) có nằm trong phạm vi cho phép hay không.Tính toán trục theo bền là kiểm tra độ bền uốn xoắn của trục tại các tiết diện nguy hiểm.Có hai loại sơ đồ trục khuấy: loại trục một nhòp và loại consol. Các bước tính toán trục như sau:• Xác đònh đường kính sơ bộ của trục theo xoắn (tốt nhất là tính theo xoắn và uốn):GVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 8 316cpxtMdπτ= (3-1) Trong đó: td – đường kính trục, m cpτ – ứng suất cắt cho phép, 2/ mN Mx – momen xoắn có thể xác đònh theo công thức ωdcxxNCM =ƠÛ đây: Nđc – công suất động cơ, W ω – vận tốc góc của trục, s-1Cx – hệ số dao động tải, thường lấy 1.1-1.6• Kiểm tra độ cứng của trục tại các tiết diện nguy hiểm như hộp đệm, chỗ mắc cánh khuấy nếu gần thành thiết bò: cpiff ≤ (3-2) Trong đo: if – độ võng của trục tại tiết diện nguy hiểm cpf – độ võng cho phép tại tiết diện nguy hiểm tương ứng• Kiểm tra trục theo điều kiện ổn đònh (dao động). Trong trường hợp này vận tốc quay của trục phải thoả mãn các điều kiện ổn đònh như bảng 3.1. Nếu đường kính của trục chỉ tính sơ bộ theo xoắn thì cần kiểm tra bền theo cả xoắn và uốn tại các tiết diện nguy hiểm. Sau đây trình bày cách xác đònh vận tốc góc tới hạn thứ nhất ω1 của trục thường gặp là trục consol3.1.1 Xác đònh vận tốc góc tới hạn thứ nhất của trục bằng đồ thòVận tốc góc tới hạn thứ nhất ω1 của trục (không kể kiểu cánh khuấy, loại thùng khuấy, loại môi trường khuấy) có thể xác đònh theo công thức 1221mEJLαω= ,rad/s (3-3)Trong đó: L – chiều dài chung của trục khuấy, mJ – momen quán tính của trục khuấy, m4m1 – khối lượng một met chiều dài trục, kg/mα – hệ số, phụ thuộc vào tỉ lệ khối lượng cơ cấu khuấy và khối lượng trục kLmmk=1 và phụ thuộc vào tỉ lệ chiều dài β=Ll; mk-khối lượng cơ cấu khuấy, kg; l-khoảng cách giữa cơ cấu khuấy và một gối đỡ. GVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 9 3.1.2 Tính toán trục khuấy trộn consol3.1.2.1Sơ đồ chòu lực Lực tác dụng lên trục khuấy bao gồm momen xoắn Mx sinh ra do trở lực của môi trường (momen xoắn tác dụng từ bộ truyền động tới để cân bằng với momen xoắn sinh ra do trở lực của môi trường), lực hướng kính Fr và lực hướng trục Fa .Momen xoắn trung bình xM sinh ra do trở lực của môi trường tác dụng lên các cách của cơ cấu khuấy (khi áp suất trở lực hoặc trở lực riêng trên đơn vò dài q(r) phân bố như ở hình vẽ đối với cơ cấu khuấy bản hai cánh) có thể xác đònh theo công thức: 522kNxdnKNMρω== (3-4)Trong đó: N – công suất khuấy,W ρ – khối lượng riêng của môi trường khuấy, kg/m3 dk – đường kính cánh khuấy, m KN – hệ số công suất Công suất khuấy và momen trung bình là những đại lượng thay đổi theo thời gian do việc thay đổi phân bố vận tốc dẫn đến thay đổi áp suất làm sản sinh dao động (do không cân bằng). Như vậy khi tính bền cần phải chú ý đến momen xoắn lớn nhất xxxMCM'= (3-5)Trong đó: 'xC - hệ số dao động tải lấy bằng 1.1-1.6Để tiện lợi và an toàn trong tính toán người ta thay công suất khuấy trộn bằng công suất động cơ Nđc ==pdcxdcxxnNCNCM 95500ω (3-6)Trong đó: Nđc – công suất động cơ, W np – số vòng quay trục khuấy, vg/ph Cx – hệ số chú ý đến dao động lực cản và lấy từ 1.1-1.6Mx – momen xoắn, NmLực hướng kính bằng lực tác dụng lên một cánh của cơ cấu khuấy (có điểm đặt lực cách đường trục của trục khuấy một đoạn rF) và được xác đònh theo công thức: rFxcrNrMFF == (3-7)GVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 10 Trong đó:Nc – số cánh của động cơrF – khoảng cách của điểm đặt lực Fr đến trục quay, mMx – momen xoắn tính theo công thức ==pdcxdcxxnNCNCM 95500ωĐối với cơ cấu khuấy bản kFd83r = thì ckxrNd3M8F =Lực chiều trục đối với các cánh khuấy vận chuyển chất lỏng theo chiều trục (chân vòt, tuabin hở cánh nghiêng, bản cánh nghiêng, vít tải, băng) có thể xác đònh theo công thức:πρ=4dv2F2k2z1aNếu thay 1azFNv = sẽ có 321aAN2F ρ=Trong đó 1aF – lực chiều trục gây ra do sức cản chất lỏng đi theo chiều trục, Nρ – khối lượng riêng của môi trường khuấy, kg/m3vz – vận tốc chất lỏng theo chiều trục, m/sN – công suất khuấy, W4dA2kπ= – diện tích tiết diện quay của cơ cấu khuấy, m2 Nếu thiết bò làm việc dưới áp suất dư p thì lực chiều trục àaF do áp suất dư tác động lên cơ cấu khuấy làp4dF2taàπ=Trong đó àaF – lực chiều trục do áp suất dư, Np – áp suất dư, N/m2dt – đường kính trục tại nơi đặt hộp đệm, mTổng lực chiều trục tác dụng lên trục khuấy là:2a1aaFFF +=Nếu môi trường khuấy có nguy cơ đông cứng hoặc đặc thì có thể xuất hiện momen xoắn quá tải Mxmax của động cơ, như vậy : ==xTxpdcdcxTxxMMnNNMMMmaxmax955000ω (3-8)Trong đó xTxMMmax=2.7 – hệ số quá tải động cơGVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP [...]... : TS NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn GVHD : TS NGUYỄN VĂN GIÁP Trang 28 Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 29 5.2 NHIỆT ĐỘ ĐO ĐƯC VÀ NHIỆT ĐỘ CẦN ĐO 5.2.1 Nhiệt độ đo được Nhiệt độ đo được (nhờ một điện trở hay một cặp nhiệt) chính bằng nhiệt độ của cảm biến và ký hiệu là Te Nó phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Tx và sự trao đổi nhiệt trong... thống làm nguội và điều hoà GVHD : TS NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 23 Lưu Lượng Cổn g vào thô ng"mắ t" Quạ t Hú t Cổng Thoát Áp Suất Tối Đa Hình 4.1 Bơm ly tâm: sơ đồ hoạt động và đường đặc tính lưu lượng/áp suất 4.2 BƠM CÓ LƯU LƯNG RIÊNG DƯƠNG (BƠM THỂ TÍCH) Bơm lưu lượng riêng dương được trình bày ở hình 4.2 Xem khoảng dòch chuyển của bơm là L và vận tốc... tương đối của cánh khuấy trong môi trường, m/s ρ – khối lượng riêng của môi trường, kg/m3 C’p – hệ số trở lực của môi trường, C’p= f (Re,Fr ) Để tính toán tiện lợi cần chuyển lực phân bố diện tích (áp suất) thành lực phân bố độ dài q(r) (N/m) GVHD : TS NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 19 ' q (r ) = pb = C p v 2 ρb trong đó b – chiều cao cánh khuấy, m Lực phân... dài ở r>r0, vì ở phầnôc1 tương đối giữa cánh khuấy và môi trường khuấy: r v = ωr − ωr0 0 r Lực phân bố dài có giá trò: GVHD : TS NGUYỄN VĂN GIÁP 0.75 (3-19) Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 21 0.75 ' C p ρω 2 b r0 q (r ) = ωr − ωr0 2 r 2 Lực cản tác dụng lên một phân tố diện tích dA = b.dr của cánh khuấy là: 2 0.75 ' C p ρω 2 b r dFc... linh động và n, p là nồng độ của điện tử và lỗ trống (tương ứng), q là điện tích của chúng (q = 1,6.10-19c) GVHD : TS NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 35 Trái ngược với trường hợp kim loại, đối với bán dẫn, nhiệt độ ảnh hưởng chủ yếu đến nồng độ điện tích tự do (n,p) Sự thay đổi của nhiệt độ làm đứt mối liên kết giữa các nguyên tử và dẫn đến sự hình thành... cấu khuấy, lúc này do mất tính đối xứng sẽ dẫn tới xuất hiện các lực phụ rất đáng kể GVHD : TS NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 22 4 BƠM THỦY LỰC Trong hệ thống thủy lực, bơm tạo ra dòng chảy của lưu chất Bơm không tạo ra áp suất nhưng phải thắng lực cản để chảy bên trong mạch Có hai nhóm bơm cơ bản: bơm có lưu lượng riêng (không dương) âm (bơm ly tâm) và bơm... hơn so với platin khi nhiệt độ dưới 100K và nó có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn với độ tuyến tính tốt hơn Từ wonfram có thể chế tạo các sợi dây rất mảnh để làm các điện trở có trò số cao, hoặc là tối thiểu hoá kích thước của các điện trở Tuy nhiên ứng suất (tạo ra trong quá trình GVHD : TS NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 32 kéo sợi) trong wonfram rất... NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 33 Giải pháp nhân nhượng : Một giải pháp nhân nhượng thường được áp dụng: ấn đònh giá trò R∼ 100Ω ở 0 C Khi đó, nếu dùng platin đường kính dây cỡ vài chục µm và chiều dài khoảng ∼10cm, sau khi cuốn lại sẽ nhận được nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm Trên thực tế các sản phẩm thương mại có điện trở 0oC là 50 Ω, 500Ω, và 1000Ω Các điện... nhiên cần phải lưu ý là nhiệt kế bề mặt rất nhặy với mọi biến dạng của cấu trúc bề mặt được dán nhiệt kế Hệ số cảm biến của nikel phụ thuộc vào biến dạng: giá trò của nó nhỏ khi bò nén Bởi vậy nếu không thể dán nhiệt kế trên vùng không có biến dạng thì tốt nhất là dán nó trên vùng bò biến dạng nén GVHD : TS NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 34 Một nguyên nhân... đối và hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghòch được viết như sau: η = 1- T1/ T2 (5-1) Trong đó T1 và T2 là nhiệt độ nhiệt động học của hai nguồn Như đã biết, chất khí lý tưởng được xác đònh bởi: - Nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí - Phương trình đặc trưng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ θ : GVHD : TS NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn . Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 9 3.1.2 Tính toán trục khuấy trộn consol3.1.2.1Sơ đồ chòu lực Lực tác dụng lên trục khuấy. hiếm và đắt ở thò trường Việt Nam. GVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy khuấy trộn Trang 6 3 THIẾT