Thiết kế và chế tạo mô hình
điều khiển máy khuấy trộn
Trang 1
1
TỔNG
QUAN
1.1GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG KHUẤY TRỘN
Quá 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
NGHIỆP
Theo 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:
φ
=
nếu
0ii
φ<φ
0i
i
i
1
1
X
φ−
φ−
=
nếu
0ii
φ>φ
Trong đó
i
φ
,
0i
φ
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 Khuấy
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 HÌNH
3.1TÍNH TOÁN TRỤC KHUẤY TRỘN
Lỏng-Rắn
7.0
1
≤
Ω
ω
và
55.045.0
1
−≠
Ω
ω
7.0
1
≤
Ω
ω
6.13.1
1
−=
Ω
ω
Lỏng-Khí
4..0
1
≤
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
3
16
cp
x
t
M
d
πτ
=
(3-1)
Trong đó:
t
d
– đường kính trục, m
cp
f
– 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 ω
1
của trục
thường gặp là trục consol
3.1.1 Xác đònh vận tốc góc tới hạn thứ nhất của trục bằng đồ thò
Vận tốc góc tới hạn thứ nhất ω
1
của trục (không kể kiểu cánh khuấy, loại
thùng khuấy, loại môi trường khuấy) có thể xác đònh theo công thức
1
2
2
1
m
EJ
L
α
ω
=
,rad/s (3-3)
Trong đó: L – chiều dài chung của trục khuấy, m
J – momen quán tính của trục khuấy, m
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 F
r
và lực hướng
trục F
a
.
Momen xoắn trung bình
x
M
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:
52
2
k
N
x
dn
K
N
M
ρ
ω
công suất động cơ N
đc
==
p
dcxdcx
x
n
NCNC
M 95500
ω
(3-6)
Trong đó: N
đc
– công suất động cơ, W
n
p
– số vòng quay trục khuấy, vg/ph
C
x
– hệ số chú ý đến dao động lực cản và lấy từ 1.1-1.6
M
==
p
dcxdcx
x
n
NCNC
M 95500
ω
Đối với cơ cấu khuấy bản
kF
d
8
3
r =
thì
ck
x
r
Nd3
M8
F =
Lực chiều trục đối với các cánh khuấy vận chuyển chất lỏng theo chiều trục
Trong đó
1a
F
– lực chiều trục gây ra do sức cản chất lỏng đi theo chiều trục, N
ρ – khối lượng riêng của môi trường khuấy, kg/m
3
v
z
– vận tốc chất lỏng theo chiều trục, m/s
N – công suất khuấy, W
4
d
A
2
k
π
=
– diện tích tiết diện quay của cơ cấu khuấy, m
2
Nếu thiết bò làm việc dưới áp suất dư p thì lực chiều trục
à
a
F
do áp suất dư tác
động lên cơ cấu khuấy là
p
4
d
F
của động cơ, như vậy :
=
=
xT
x
n
p
– số vòng quay trục khuấy, vg/ph
ω – vận tốc góc trục khuấy, rad/s
ω
dc
xT
N
M =
– momen xoắn quy ước, Nm
Khi khởi động momen xoắn cản tác dụng lên trục khuấy sẽ lớn hơn lúc làm
việc bình thường. Momen khởi động do trường điện từ của stato động cơ điện
cung cấp sẽ dùng để khắc phục quán tính của roto cua( động cỏ, của các bộ
truyền động trục khuấy, của cánh khuấy, của môi trường khuấy và khắc phục trở
lực chuyển động khuấy trộn của môi trường được khuấy, nghóa là
xkx
MIIiM ++=
.
2
.
1max
ωω
(3-9)
Trong đó: i – tỉ số truyền động của bộ truyền
M
xmax
– momen xoắn khởi động của động cơ, Nm
..
+
+
=
21
2
7.1
1
II
I
C
N
M
xxA
ω
3.1.2.2Tính trục theo bền
Từ sơ đồ chòu lực ta vẽ được biểu đồ momen xoắn và uốn. Momen uốn tại
gối đỡ B có giá trò cực đại
==
=
x
Fc
rrArB
M
a
l
rN
FFF
+⋅⋅=+= 1
11
Giá trò của momen uốn tại nội lực:
−=−=
l
x
MxlFM
uBru
2
2
1
khi
lx ≤≤
2
0
Dùng thuyết năng lượng ta có thể tìm được giá trò ứng suất tương ứng tại B:
5.0
2
3
22
22
3
4
1
316
33
+
=+=
x
uB
t
x
x
x
u
uB
xBuBtdB
M
M
d
M
W
M
W
M
π
τσσ
Trong đó: σ
k
β
σ
σ
1
1
1
−
−
−
=
Ở đây
u1−
σ
– giới hạn bền mỏi, N/m
2
n
-1
– hệ số an toàn mỏi và lấy 2÷3
β
b
– hệ số tác dụng bậc, đối với tiết diện ổ đỡ lấy β
b
= 1.1÷1.2
k
d
– hệ số độ lớn tra theo bảng sau
Bảng 3.2
Đường
kính trục
×
+
M
x
– momen xoắn, Nm
τ
cp
– ứng suất cho phép và được xác đònh theo công thức
Tb
T
cp
n
β
σ
τ
3
=
Với σ
T
– giới hạn chảy, N/m
2
n
T
– hệ số an toàn, thường lấy 3÷4
β
b
– hệ số tác dụng bậc, đối với ổ đỡ thường lấy 1.1÷1.2
2. Nếu môi trường không có nguy cơ đông cứng hoặc đông lạnh thì
tải trọng gây đứt nguy hiểm nhất là tải trọng khởi động. Lúc này
ứng suất tương đương tính theo công thức:
5.0
M
d
M
π
σ
và thoả mãn điều kiện
cptdB
σσ
≤
'
Trong đó M
xBA
– momen uốn tại tiết diện B ở giai đoạn khởi động
σ
cp
– ứng suất cho phép uốn, N/m
2
và xác đònh theo công
thức
cpcp
τσ
3=
với τ
cp
ứng suất cắt cho phép
3.1.2.3 Tính trục theo độ cứng
Tính trục theo độ cứng chính là kiểm tra xem chuyển vò hướng kính của trục
tại các tiết diện nguy hiểm có thoả điều kiện:
GVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP
Thiết kế và chế tạo mô hình
++=
+=
−
211
3
1
1
11
1'
1
6
)5.0('
CxC
x
a
M
fEJ
CxaMfEJ
uB
i
uBi
Các hằng số tích phân C
1
và C
−⋅−=
2
1
1
1
1
1
6 a
x
ax
EJ
M
f
uB
với
=
a
x
aMEJf
uB
Tại ổ đỡ A có góc xoay:
1
'
1
6EJ
aM
f
uB
A
−=
Tại ổ đỡ B có góc xoay:
1
'
1
3EJ
aM
f
uB
B
−=
+
+
−
=
2
1
2
1
C
l
x
C
l
x
l
x
lMfEJ
C
l
x
l
x
lMfEJ
uB
uB
Trong khoảng
12
0 llx −≤≤
(lúc này J
i
=J
1
) có các điều kiện sau: f
2
−
+=
⋅+
f
l
a
l
x
l
x
EJ
lM
f
uB
uB
Trong khoảng
lxll ≤≤−
21
(lúc này J
i
=J
2
) có các điều kiện biên:
( ) ( )
21
'
2
'
2
JJJJ
ii
ff
==
−
+−
−
1
2
2
22
2
'
2
2311
3
13
3
11
2
1
32
1
l
l
l
l
l
l
l
x
J
J
l
x
l
x
−
++= 11
3
2
1
3
1
1
2
2
J
J
l
l
l
a
EJ
Độ võng của trục tại các ổ trục là:
GVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP
Thiết kế và chế tạo mô hình
điều khiển máy khuấy trộn
Trang 16
A
A
oA
f
S
f +=
2
và
B
B
oB
f
S
f +=
2
(3-11)
Trong đó: S
A
,
S
B
– khoảng dòch chuyển theo hướng kính do chế tạo của ổ A
và B, có thể xác đònh theo công thức
===
ttt
B
t
A
t
d
f
d
S
d
f
d
f
d
f
Do biến dạng này sẽ xuất hiện góc nghiêng của trục tại ổ so với đường nối
tâm hai ổ:
lx ≤≤
2
0
Độ võng tổng cộng của trục:
0ii
fff +=
với i=1,2
Độ võng tổng cộng của trục tại tiết diện mắc cơ cấu khuấy:
−
uB
k
3.1.2.4Kiểm tra trục theo độ cứng
Các độ võng f
k
và f’
C
phải thoả mãn điều kiện cpi
ff ≤
3.1.2.5Khoảng cách tối ưu giữa hai ổ đỡ
Khoảng cách tối ưu giữa hai ổ đỡ ứng với chuyển vò nhỏ nhất của trục gọi là
khoảng cách tối ưu a
tư
. Muốn xác đònh khoảng cách tối ưu ta lấy đạo hàm của độ
võng theo khoảng cách a giữa hai ổ đỡ rồi cho nó bằng không, nghóa là:
0=
da
df
i
từ đó có thể rút ra (khi J
1
= J
2
):
GVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP
Thiết kế và chế tạo mô hình
điều khiển máy khuấy trộn
Trang 17
uB
tư
(3-12)
Trong đó: f – chuyển vò dài, m
f
max
– biên độ dao động, m
α – pha ban đầu
ω
1
– tần số dao động riêng của trục hoặc vận tốc góc tới hạn của
trục và được xác đònh theo công thức:
m
k
=
1
ω
m – khối lượng dao động, xác đònh theo công thức
tk
mmmm 24.0
1
++=
với m
k
– khối lượng cơ cấu khuấy, kg
m
l
– khối lượng chất lỏng cùng dao động theo với tốc độ[f], kg
k – độ cứng của trục tại chổ mắc cánh khuấy
Khối lượng chất lỏng cùng dao động có thể xác đònh nhờ giả thuyết rằng thể
tích chất lỏng cùng dao động chính là thể tích tạo nên bởi một cánh của cơ cấu
khuấy khi quay.
==
=
Vừa chòu lực chiều trục được tính theo công thức:
1
2
4
a
ti
a
F
pd
F +=
π
Ổ dưới chỉ chòu lực hướng kính:
+=
l
a
1
ρ=
2'
p
vCp
(3-13)
Trong đó: p – áp suất, N/m
2
v – vận tốc tương đối của cánh khuấy trong môi trường, m/s
ρ – khối lượng riêng của môi trường, kg/m
3
C’
p
– hệ số trở lực của môi trường, C’
p
= f (Re,F
r
)
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
trong đó b – chiều cao cánh khuấy, m
Lực phân bố q(r) phân bố chiều dài của cánh cơ cấu khuấy theo quy luật mũ.
Trong thực tế ta chỉ cần tính bền ở tiết diện nguy hiểm nhất, vì thế hoàn toàn
cho phép chuyển sơ đồ tương đương với F
C
chính là hợp lực tác dụng lên cánh
Nếu cánh nghiêng thì xác đònh theo công thức:
α
cos
cF
x
C
Nr
M
F =
(3-15)
Thay giá trò của F
C
vào công thức trên ta có:
α
cos
1
max
C
x
k
F
k
b
u
N
M
r
r
r
– momen uốn lớn nhất, Nm
b – chiều cao của cánh, m
σ
T
– giới hạn chảy của vật liệu làm cánh, N/m
2
n
T
– hệ số an toàn chảy, n
T
=2÷3
GVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP
bvCpbrq
p
ρ
2'
)( ==
Thiết kế và chế tạo mô hình
điều khiển máy khuấy trộn
Trang 20
3.2.1.2Xác đònh khoảng cánh từ điểm đặt lực tới trục quay
•Đối với thùng khuấy có tấm chắn khi chảy rối vận tốc tiếp tuyến của chất
lỏng coi như bằng không. Như vậy, vận tốc tương đối của cánh khuấy chính
bằng vận tốc vòng của cánh khuấy, nghóa là:
v=ωr
(3-17)
Như vậy:
brCrq
p
22'
r
cC
rr
bC
bdrrCdFF
k
b
ρω
ρω
Momen lực tác dụng lên một cánh của cơ cấu khuấy:
∫
=
f
b
r
r
c
x
xc
rdF
N
M
M
α
cos
Khoảng cách r
F
giữa điểm đặt lực F
C
và trục quay của cơ cấu khuấy xác đònh
1
1
4
3
cos
k
b
k
b
k
CC
x
F
r
r
r
r
r
FN
M
r
α
Khi đường kính bạc cơ cấu khuấy r
b
=(0÷0.5)r
k
thì r
F
=(075÷0.805)r
k
rrv
ωω
(3-19)
Lực phân bố dài có giá trò:
GVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP
Thiết kế và chế tạo mô hình
điều khiển máy khuấy trộn
Trang 21
2
75.0
0
0
2'
2
)(
−=
−==
ρω
Sau khi lấy tích phân ta có:
dr
r
r
rr
bC
drrqdF
p
r
r
r
r
c
kk
2
75.0
0
0
2'
2
−=== rdr
r
r
rr
bC
dFr
N
dM
dM
p
r
r
c
c
x
xc
k
75.0
0
0
2'
2
cos
cos
0
−=
4
0
5.3
0
75.1
0
2'
9
49
8
9
32
1
8
cos
kkk
p
c
x
r
r
r
−
+
−
75.1
0
4
0
5.3
0
75.1
0
6
5
49
5
24
1
9
49
8
9
32
1
4
3
kkk
kkk
k
F
r
r
r
r
nếu như ở đáy
phểu tiếp xúc với cơ 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 cólưu
lượng riêng dương (bơm thể tích).
4.1 BƠM CÓ LƯU LƯNG RIÊNG KHÔNG DƯƠNG (BƠM LY TÂM)
Một cơ cấu có lưu lượng riêng không dương điển hình là bơm ly tâm trong đó
lưu lượng cung cấp từ bơm sẽ giảm khi áp suất cản của hệ thống tăng. Nếu cửa
thoát của bơm ly tâm hoàn toàn bò chặn thì bơm sẽ ngừng hoạt động, và lưu
lượng cung cấp là zero. Bơm ly tâm được minh hoạ ở hình 4.1 với các đặc tính
của hệ thống. Bánh công tác quay và làm cho lưu chất bò hút vào cổng vào của
bơm và sau đó lưu chất được đưa ra cổng thoát bởi tác động của lực ly tâm.
Bơm có lưu lượng riêng không dương được ứng dụng giới hạn trong việc cung
cấp thêm (trợ giúp) cho các hệ thống bơm lưu lượng riêng dương chính, cho các
hệ thống chuyển dòch lưu chất, cho các hệ 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
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
Hình 4.2 Bơm có lưu lượng riêng dương
Gọi Q
p
lưu lượng cung cấp thật của bơm trong một phút, T
p
là momen xoắn
trung bình, và P
p
là lượng tăng áp qua bơm. Khi đó:
Lưu lượng bơm lý thuyết =Lưu riêng trong một vòng
×
Số vòng quay trong
một phút
GVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP
Cổng
Thoát
Quạt Hút
Cổng vào
thông"mắt"
Lưu Lượng
Áp Suất Tối
Đa
Thiết kế và chế tạo mô hình
điều khiển máy khuấy trộn
Trang 24
=Dp
×
np
Lưu lượng thật của bơm luôn nhỏ hơn lưu lượng lý thuyết do sự rò rỉ và thất
thoát ở bên trong hệ thống:
hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết.
Tuy nhiên, để đo được trò số chính xác của một nhiệt độ là vấn đề không đơn
giản. Vì phần lớn các đại lượng vật lý đều có thể xác đònh một cách đònh lượng
nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất được coi là đại lượng so
sánh. Những đại lượng như vậy gọi là đại lượng mở rộng vì chúng có thể xác
đònh được bằng bội số hoặc ước số của đại lượng chuẩn (đại lượng so sánh).
Ngược lại, nhiệt độ là đại lượng gia tăng: việc nhân hoặc chia nhiệt độ không có
GVHD : TS. NGUYỄN VĂN GIÁP
Copyright: Tài liệu đại học ©