Đề tài nghiên cứu các dụng cụ , các thiết bị đo áp suất và các khái niệm động học chất lưu

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TIỂU LUẬN KẾT THÚC HỌC PHẦN Bộ mơn: Thủy khí Đề tài: Nghiên cứu dụng cụ , thiết bị đo áp suất khái niệm động học chất lưu Giáo viên hướng dẫn: Hoàng Văn Hà Sinh viên: Vũ Ngọc Hiển Mã sinh viên: 19000853 A Động lực học lưu chất lỏng I Các khái niệm liên quan đến lưu chất Lưu chất _ Lưu chất, khác với chất rắn, loại vật chất có tính dễ chảy Một lưu chất khơng  có hình dạng riêng có hình dạng vật chứa _ Lưu chất vật chất biến dạng liên tục sự  tác dụng lực trượt, lực nhỏ đến đâu Độ nhớt _ Khi lưu chất chuyển động, lòng lưu chất xuất lực ma sát trượt _ Theo định nghĩa Newton lực ma sát bên lưu chất: lực ma sát xuất  lớp lưu chất trượt lên nhau, độ lớn lực tỷ lệ thuận với gradient vận  tốc tỷ lệ thuận với bề mặt tiếp xúc hai lớp Lực nội ma sát lưu chất sẽ  tính cơng thức:  dv Fms = μS dn S diện tích tiếp xúc lớp lưu chất , m2 dv gradient vận tốc , s−1 dn µ hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào tính chất lưu chất , gọi độ nhớt động lực , N.s/m2 _ Độ nhớt tính chất lưu chất chống lại dịch chuyển _ Cùng với khái niệm độ nhớt tuyệt đối hay độ nhớt động lực thủy lực sử  dụng khái niệm độ nhớt động học ν, tỷ số độ nhớt động lực khối lượng riêng  lưu chất:  µ υ= ρ m /s Sức căng bề mặt _ Bề mặt xuất áp lực theo phương pháp tuyến  với bề mặt phân giới chất lỏng môi trường, hướng vào phía lịng chất  lỏng Do áp lực mà chất lỏng có khuynh hướng thu hẹp bề mặt để tạo ra  bề mặt địi hỏi phải tốn công.   _ Công cần thiết để tạo đơn vị bề mặt chất lỏng gọi sức căng bề  mặt, ký hiệu σ σ¿ E bm N/m J/m2 S _ Sức căng bề mặt phụ thuộc vào nhiệt độ tính chất chất lỏng Chất lỏng không nhớt, chất lỏng Newton, chất lỏng phi Newton a Chất lỏng không nhớt _ Là chất lỏng giả định, có tính dịch chuyển tuyệt đối, tức hồn tồn khơng nhớt, khơng nén tuyệt đối,  không giãn nở nhiệt độ thay đổi tuyệt đối khơng có khả chống lại lực cắt b Chất lỏng Newton _ Là chất lỏng nhớt, tuân theo định luật ma sát của Newton, nghĩa ứng suất tiếp tuyến gradient vận tốc phụ thuộc tuyến tính với c Chất lỏng phi Newton _ Là chất lỏng nhớt không tuân theo định luật ma sát Newton, nghĩa độ nhớt có thay đổi mối quan hệ thay đổi với ứng suất cắt _ Phân loại: Có nhóm sau  Chất lỏng dẻo: Là chất lỏng mà phụ thuộc gradient vận tốc vào ứng suất  ma sát hàm thời gian Nó chuyển động có tác động  ban đầu lực kéo đủ lớn để thắng lực nhớt phá vỡ cấu trúc dẻo,  đặc trưng ứng suất dẻo Một số loại chất lỏng dẻo  thường gặp huyền phù đặc, bột nhão quặng nung chảy.   Chất lỏng biến dạng: Là chất lỏng lưu biến thay đổi theo thời gian Loại chất  lỏng có độ nhớt khơng phụ thuộc vào gradient vận tốc mà phụ  thuộc vào thời gian tác động Căn vào thay đổi cấu trúc lớp chất lỏng  theo thời gian mà chia thành chất lỏng xúc biến chất lỏng lưu ngưng.   Chất lỏng xúc biến loại tăng thời gian tác động lực kéo, cấu  trúc bị phá vỡ, làm cho chuyển động dễ dàng Tuy nhiên, ngừng tác  động ngoại lực dần hồi phục lại trạng thái ban đầu ngưng chảy.  Loại chất lỏng sơn, sữa chua , ta khuấy trộn độ nhớt của  chúng giảm không đáng kể.   Chất lỏng lưu ngưng loại khơng chịu tác động lực Vì bị  khuấy trộn mạnh độ linh động chúng giảm nhanh độ nhớt tăng, như  loại keo dán.   Chất lỏng đàn hồi: Là loại chất lỏng tăng độ linh động có tác động lực  bên ngồi, ngừng tác động phần hình dạng cũ khơi  phục, giống vật rắn đàn hồi Chất lỏng đàn hồi gồm có bột nhão,  bột chất dẻo   Tính chất lưu biến chất lỏng phi Newton phụ thuộc vào gradient vận tốc tác  động bên để tạo ứng suất Vì chuyển từ nhóm sang nhóm khác  chuyển sang dạng chất lỏng Newton, nhiên độ nhớt lớn nhiều  so với độ nhớt nước.  II Khái niệm động lực học chất lưu Chất lỏng ổn định chất lỏng không ổn định Chuyển động không ổn định chuyển Chuyển động ổn định chuyển động mà động mà thông số đặc trưng thông số đặc trưng điểm điểm phụ thuộc vào thời gian tức : u không phụ thuộc vào thời gian : u (x,y,z), (x,y,z,t), p (x,y,z,t) , 𝜌 (x,y,z,t) , p (x,y,z) ,𝜌 (x,y,z), Trong : u lưu tốc điểm Trong : u lưu tốc điểm P áp suất thủy lực học P áp suất thủy lực học 𝜌 khối lượng riêng 𝜌 khối lượng riêng chất lỏng chất lỏng Thí dụ : Khi mực nước Thí dụ : Khi mực nước chảy bể bể chứa thay đổi theo thời gian khơng đổi thơng số đặc trưng thông số đặc trưng điểm điểm mơi trường chảy mơi trường chảy thay dổi không đổi theo thời gian ,như lưu tốc theo thời gian , hình mực điểm A luồng nước ln giữ khơng nước H giảm dần ,thì lưu tốc điểm A đổi luồng nước giảm dần _ Hơn chuyển động ổn định phân thành chuyển động không đều:  Chuyển động lưu chất chuyển động mà vận tốc dịng chảy điểm tương ứng có giá trị không thay đổi không phụ thuộc vào tạo độ điểm  Chuyển động khơng chuyển động mà vận tốc dịng chảy khơng phụ thuộc vào thời gian , phụ thuộc vào tọa dộ dòng chảy Quỹ đạo chuyển động , đường dòng - Quỹ đạo chuyển động đường phần tử lưu chất sau khoảng thời gian hay nói cách khác quỹ đạo hình ảnh ghi lại chuyển động phân tử lưu chất sau khoảng thời gian ∆t - Đường dòng đường cong tức thời ( ghi nhận thời điểm t xác định ) chất điểm nằm đường cong có vecto tốc độ trùng với tiếp tuyến đường cong Hay nói đường dịng hình ảnh ghi nhận tập hợp chất điểm kề sát tạo thành đường cong chuyển động có vecto tốc độ trùng với tiếp tuyến đường cong thời điểm xác định Dòng nguyên tố , dòng chảy - Trong lòng lưu chất ta vẽ đường khép kín tạo điện tích vơ nhỏ gọi diện tích ngun tố Qua điểm đường viền diện tích ngun tố ta vẽ đường dòng Bề mặt tạo nên đường dịng gọi ống dịng Và dịng lưu chảy ống dòng gọi dòng nguyên tố - Dòng chảy tập hợp dòng nguyên tố nằm sát ,khơng có kẽ hở ,chảy lịng ống dẫn Các yếu tố thủy lực dòng chảy Các yếu tố thủy lực dòng chảy bao gồm mặt cắt ướt ,chu vi ướt ,bán kính thủy lực, lưu lượng vận tốc trung bình - Mặt cắt ướt ( kí hiệu S, đơn vị m2 ) là mặt cắt dịng chảy , vng góc với cá đường dịng , có diện tích xác định biểu thức : S =∫ dS  Với dS mặt cắt ngang dịng ngun tố  Mặt cắt ướt mặt phẳng mặt cong (khi đường dịng khơng song song ) - Chu vi ướt ( kí hiệu χ, đơn vị m )là phần chu vi mặt cắt ướt mà lưu chất tiếp xúc với thành rắn - Bán kính thủy lực ( kí hiệu r tl ,đơn vị m )là tỷ số diện tích mặt cắt ướt chu vi ướt r tl = S χ - Ngồi khái niệm bán kính thủy lực động lực học chất lỏng người ta dùng khái niệm đường kính thủy lực (kí hiệu d tl ,đơn vị m ) với d tl =4r tl - Lưu lượng thể tích( kí hiệu Q , đơn vị m3/s ) thể tích chất lỏng chảy qua mặt cắt ướt đơn vị thời gian  Lưu lượng dòng nguyên tố xác định công thức : dS=udS Với : u vận tốc dòng chảy , m/s dS diện tích dịng ngun tố m2  Lưu lượng tồn dịng tính cách tích phân phương trình : ❑ ❑ S S Q =∫ dQ =∫ udS  Ngồi đơn vị lưu lượng m3/h,m3/ngày đêm , - Vận tốc trung bình Do vận tốc dịng chảy khơng điểm ,ở gần thành rắn vận tốc nhỏ gây tác dộng ma sát , lớp chất lỏng xa bị ảnh hưởng ma sát với thành ống nên chuyển động nhanh để thuận tiện cho tính tốn người ta thường dùng khái niệm vận tốc trung bình ( kí hiệu v, đơn vị m/s ) tính theo biểu thức ❑ Q S ∫ udS v= =S S Các thiết bị đo áp suất _ Dụng cụ đo áp suất có nhiều loại bản, song nguyên tắc xếp lại thành áp kế chất lỏng áp kế khí I Áp kế chất lỏng _ Thường chia thành loại: + Áp kế để đo áp suất dư, tức đo hiệu số áp suất tuyệt đối môi trường  cần đo áp suất khí + Chân khơng kế để đo độ chân không, tức đo hiệu số áp suất khí quyển  áp suất tuyệt đối mơi trường cần đo có trị số nhỏ at.  + Áp kế vi sai để đo hiệu số áp suất hai điểm môi trường cần đo Ống pizometer _Mối quan hệ áp suất chiều cao cột chất lỏng ứng dụng loại áp suất kế chất lỏng _Dạng đơn giản ống pezometer _Cấu tạo gồm ống đơn theo phương thẳng đứng hở đầu gắn vào ống bình kín chứa chất lỏng, áp suất ống bình bình có áp xuất lớn áp suất khí sẻ đẩy cột chất lỏng lên độ cao hd=h + hp _ Nếu bình kín có áp suất mặt thống p>pa, cột chất lỏng bình áp suất điểm A tính: pA= pa+ ρghd _ Trong trường hợp cần xác định áp suất mặt thoáng ta có: pA= pa+ ρg(hp+h) đồng thời pA= pa+ ρgh rút p= pa + ρghp Qua ta thấy chiều cao pezômét đặc trưng cho áp suất dư điểm và  dùng làm thước đo áp suất điểm ống pezơmét cấu tạo đơn giản, chỉ  dùng để đo áp suất dư nhỏ, ví dụ đo áp suất dư điểm trong   Áp kế chữ U _ Loại áp kế dung để đo áp suất dư lớn chất lỏng dung có khối lượng riêng lớn nhiều so với khối lượng riêng chất lỏng bình ống cần đo ví dụ hình ta sử dụng thủy ngân _ Từ hình ta thấy chênh lệch cột thủy ngân ống chữ U hHg áp suất A là: PA= p + ρgh1= pa+ ρHgghHg Áp suất điểm B tức nơi gắn áp kế: pB= pA - ρga= pa+ ρHgghHg – ρga _Áp kế loại đo áp suất dư - at, nhiên phải đọc hai số là  hHg a nên độ xác giảm Áp kế kiểu chén _ Áp kế kiểu chén giống áp kế chữ U, nhánh bên trái có đoạn ống có tiết diện lớn Mức thủy ngân đoạn ống đường kính lớn chọn mức nên đo ta phải đọc giá trị nhánh bên phải Để đảm bảo độ xác tiết diện đoạn ống phình to phải đủ lớn để mức thủy ngân dâng lên hạ xuống bên ống phải mức mức thủy ngân chén khơng thay đổi hình _ Áp suất điểm D xác định cồng thức : PD = pa + ρHgghHg - ρga Áp kế vi phân _Áp kế vi phân dùng để đo độ chênh lệch áp suất hai vị trí khác Cấu  tạo áp kế vi sai hình 2.21, ống có chứa thủy ngân Gọi p1 p2 áp  suất hai điểm 2, ΔH mức chênh lệch thủy ngân ống chữ U, h0 mức  chênh lệch điểm A (mức thủy ngân) M (điểm đo áp suất) Khối lượng  riêng thủy ngân ρHg, khối lượng riêng môi trường áp kế vi phân ρ0 khối lượng riêng chất lỏng ống bình ρ _ Tại điểm A ta có: PA = p1– ρ0gh0 PA = pB + ρgΔh = p2 –ρ0g(h0 + Δh)+ ' ρHggΔh _ Vì điểm A A’ nằm mặt phẳng ngang chất lỏng nên pA=pA’, từ hai phương trình trên: p1 – ρ0gh = p2 –ρ0 g(h0 + Δh)+ρHg gΔh  Δp = p1 − p2 = gΔh (ρHg − ρ0) II Đồng hồ đo áp suất ( Áp kế khí ) _Tất loại đồng hồ áp suất hoạt động dựa biến đổi giá trị áp suất Từ biến đổi đồng hồ cho giá trị áp suất cách hiển thị mặt đồng hồ (đối với đồng hồ áp suất dạng cơ) hiển thị hình LED (đối với đồng hồ áp suất điện tử) Đồng hồ đo áp suất Bourdon _ Được đặt tên dựa thành phần quan trọng đồng hồ áp suất Đó ống bourdon _ Cấu tạo 10  Bourdon tube: cảm biến (trái tim đồng hồ áp suất), nơi nhận áp suất từ lưu chất cần đo  Socket: Bộ phận kết nối đồng hồ áp suất với vị trí cần đo  Movement: Bộ truyền động, có chức truyền chuyển động ống bourdon thành chuyển động quay kim đồng hồ  Dial: Mặt hiển thị, hiển thị giá trị áp suất đo  Pointer: Kim đồng hồ  Case: Vỏ đồng hồ, có chức bảo vệ phận đồng hồ áp suất  Window: Kính quan sát  Blow out disc: phịng nổ, có cố (bể ống bourdon), áp suất đồng hồ tăng đột ngột, đó, nút số bị bung khỏi đồng hồ, bảo vệ đồng hồ không bị bễ, vỡ, gây nguyên hiểm cho người vận hành _ Nguyên lý hoạt động  Giai đoạn 1: áp suất vào chân ren kết nối đồng hồ theo hướng mũi tên (1)  Giai đoạn 2: áp suất sau vào ống bourdon Khi có lực tác động lên, ống bourdon giãn nở kéo theo phận truyền động số (3)  Giai đoạn 3: phận truyền động tác động lên phần lị xo xung quanh kim đồng hồ 11  Giai đoạn 4,5: lị xo thay đổi vị trí làm thay đổi vị trí kim đồng hồ mặt hiển thị Từ cho giá trị áp suất đo _ Ưu điểm nhược điểm  Ưu điểm: Áp kế bourdon đáp ứng yêu cầu kĩ thuật + Đáp ứng cho nhiều ngành công nghiệp khác + Độ sai số nhỏ o + Có thể làm việc môi trường nhiệt độ 85 C + Dễ dàng lắp đặt vận hành + Kiểu dáng, chủng loại phong phú đa dạng +  Nhược điểm Chỉ có tác dụng hiển thị đo đường ống, khơng có tác dụng đưa tín hiệu phịng điều khiển + Cần sử dụng nhiệt độ ( trường hợp sử dụng nhiệt độ để dẫn đến bể đồng hồ ) + Đồng hồ đo áp suất dạng capsule _ Hay gọi đồng hồ đo áp suất thấp giá trị khoảng vài mbar _ Sử dụng phận gọi capsule thay cho ống bourdon 12 _ Cấu tạo capsule bao gồm lớp màng kim loại hàn kín lại với nối với chân ren _ Cấu tạo đồng hồ  Capsule (hộp xếp): cảm biến (trái tim đồng hồ áp suất), nơi nhận áp suất từ lưu chất cần đo  Socket: Bộ phận kết nối đồng hồ áp suất với vị trí cần đo (xem hình số 2)  Movement: Bộ truyền động, có chức truyền chuyển động capsule (hộp xếp) thành chuyển động quay kim đồng hồ  Dial: Mặt hiển thị, hiển thị giá trị áp suất đo  Pointer: Kim đồng hồ  Case: Vỏ đồng hồ, có chức bảo vệ phận đồng hồ áp suất  Window: Kính quan sát  Blow out disc: phịng nổ, có cố (bể ống bourdon), áp suất đồng hồ tăng đột ngột, đó, nút số bị bung khỏi đồng hồ, bảo vệ đồng hồ không bị bễ, vỡ, gây nguyên hiểm cho người vận hành _ Nguyên lý hoạt động 13 + Giai đoạn1: đặc tính lớp màng mỏng nên có áp suất vào từ phần chân ren; áp suất làm phồng lớp màng + Giai đoạn 2: Khi lớp màng bị phồng lên làm cho phận truyền động tác động đến kim đồng hồ làm xoay kim đồng hồ mặt hiển thị Từ cho giá trị áp suất đo _ Ưu điểm nhược điểm  Ưu điểm: Có thể đo áp suất nhỏ mà đồng hồ bourdon không đo  Nhược điểm: Chỉ dung đo áp suất khí sạch, khơng sử dụng để đo chất lỏng khí có nhiều bụi bẩn + Đối với chất khí có nhiều bụi bẩn vài hộp xếp, qua thời gian lượng bụi vào nhiều làm cho hộp xếp tính đàn hồi từ khơng thể sử dụng + Cảm biến áp suất _ Cảm biến áp suất là thiết bị điện tử chuyển đổi tín hiệu áp suất sang tín hiệu điện Thiết bị thường dùng để đo áp suất dùng ứng dụng có liên quan đến áp suất _ Cấu tạo cảm biến áp suất: 14 _ Ví dụ: Cảm biến áp suất màng: - Electric connection : Kết nối điện - Amplifier : Bộ khuếch đại tín hiệu - Sensor : Màng cảm biến xuất tín hiệu - Process Connection : Chuẩn kết ren (Ren kết nối vào hệ thống áp suất) _ Nguyên lý hoạt động: Theo sơ đồ thấy rằng khí áp suất Dương ( + ) đưa vào lớp màng căng lên từ trái sang phải , đưa vào áp suất âm ( – ) lớp màng căng 15 lên từ phải sang trái Chính dịch chuyển đưa tín hiệu mạch xử lý đưa tín hiệu để biết áp suất đưa vào - Hình đầu tiên bên trái : Khi khơng có áp suất => Hight = Low = Ov output Hình ở : Khi có áp suất nén => Hight > Low = + V Output Hình bên phải : Khi có áp suất hút => Low > Hight = -V Output _ Ứng dụng đo cảm biến áp suất: - Đối với trường hợp dùng cảm biến áp suất dùng cho máy nén khí, áp suất nước, dầu thủy lực chất lỏng khơng có tính ăn mịn khác dùng loại cảm biến áp suất thường Các dãy đo áp suất 0-0.1bar; 0-0.16bar;… dùng để đo mức nước tĩnh bồn chứa khơng có áp suất Mức nước tính sau : 1bar = 10mH2O (hoặc 100mbar = 100mmH20) - Trường hợp ứng dụng cho môi trường thực phẩm : sữa, nước khải khát,…thì bắt buộc phải dùng cảm biến áp suất màng đảm bảo tiêu chuẩn thực phẩm - Cảm biến áp suất dùng cho xăng, dầu,….ngành dầu khí phải đảm bảo tiêu chuẩn chống cháy nổ - Tùy vào nhu cầu sử dụng mà ta chọn loại cảm biến phù hợp 16 17 ... thuộc vào thời gian : u (x,y,z ), (x,y,z,t ), p (x,y,z,t) ,