Khảo sát sự chảy của nước ở phòng thí nghiệm trong một hệ thống ống dẫn có đường kích thước khác nhau và có chứa lưu luojng kế màng chắn, venturi cùng các bộ phận nối ống như cút, van, chữ t

I Trích yếu 1 Mục đích Khảo sát sự chảy của nước ở phòng thí nghiệm trong một hệ thống ống dẫn có đường kích thước khác nhau và có chứa lưu luojng kế màng chắn, Venturi cùng các bộ phận nối ống như cú[.]

I Trích yếu Mục đích: Khảo sát chảy nước phịng thí nghiệm hệ thống ống dẫn có đường kích thước khác có chứa lưu luojng kế màng chắn, Venturi phận nối ống cút, van, chữ T Cơ sở lý thuyết: a Lưu lượng kế màng chắn Venturi: Nguyên tắc công cụ dùng giảm áp lưu chất chảy qua chúng để đo lưu lượng Vận tốc trung bình vị trí (2) tính từ cơng thức tổng kê lượng: V2=C √ P (1−β 4) (1) Trong đó: C: hệ số màng chắn Venturi, tùy thuộc vào chế độ chảy Re P: độ giảm áp suất qua màng chắn hay Venturi, N/m2 : trọng lượng riêng lưu chất, N/m3 β= d2 : tỉ số đường kính cổ Venturi hay đường kính lỗ màng chắn đường d1 kính ống Do đo lưu lượng qua màng chắn hay Venturi: Q = V2A2 = V1A1 (2) b Tổn thất lượng chảy ống dẫn: Khi lưu chất chảy ống, ta có lượng ma sát thành ống Xét trường hợp ống trịn nằm ngang Từ phương trình Bernouli ta có: −∆ P ∆(α V ) + + ∆ Z + H f =0 (3) ρgg 2g ∆ ( α V 2) Vì = Z = 2g (−∆ P )  Hf = (4) ρgg H f : Thủy đầu tổn thất ma sát ống, m T ổ ngthất lượng liên hệ với thừa số ma sát phương trình Darceyweisbach: H f =f LV 2 gD (5) f: hệ số ma sát, vô thứ nguyên L: chiều dài ống, m D: đường kính ống, m  Trong chế độ chảy tầng Tổn thất mà sát tính theo công thức sau: Hf = 32 μlVlV g V ρg (6) Hệ dố ma sát f tính theo công thức Hagen-Posieuille: f= 64 μlV 64 = DVρg ℜ (7)  Đối với chảy rối Hệ số ma sát f tùy thuộc vào Re độ nhám tương đối ống ( ε ) Độ nhám D tương đối ống lỷ số độ nhám thành ε đường kính ống D Người ta tính f từ số phương trình thực nghiệm phương trình ε D Nikuradse, hay để thuận tiện người ta sử dụng giản đồ f theo Re ( ) (giản đồ Moody) Ngoài mát lượng ma sát ống nói tren, ta cịn có mát lượng trở lực cục bộ, ví dụ: thay đổi tiết diện chảy, hay thay đổi tiết diện van Trong trường hợ ta có cơng thức tính trở lực cục sau: ∆ Pcb =f l tđ v2 (8) gD Với l tđ : chiều dài tương đương cút, van, … chiều dài tương đương định nghĩa chiều dài đoạn ống thẳng có tổn thất lượn gtại van, cút điều kiện Trở lực riêng tiêu tốn để thằng trở lực phận ta xét gây ra: ∆ Pcb = v2 2g (9) So sánh vế công thức (8) (9) ta có: lt đ (10) D D Từ ta có: l t đ = f ¿f (11) II Thiết bị phương pháp thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm: a Sơ đồ thí nghiệm b Dụng cụ thí nghiệm Thì kế để tính thời gian Số liệu kích thước ống dẫn inox: Loại ống Đường kính ngồi (mm) A 34 B 26.5 C 21.5 D 16.5 Độ nhám e=0,000005 Màng chắn: lối vào: 40mm đường kính lỗ: 17mm Venturi: lối vào: 40mm đường kính cổ: 17mm Đường kính (mm) 29 22 17 13.5 Phương pháp thí nghiệm: Trướng làm thí nghiệm, phải kiểm tra van luôn để mở cố định a Trắc định lưu lượng kế màng chắn Venturi - Mở van cho nước vào bình đến vạch tối đa (1cm vạch tương đương lít) - Mở hồn tồn van 4, 5; đóng van 6,7; mở van nhánh áp kế màng chắn venturi - Cho van chạy từ từ mở van sau khóa lại kiểm tra mực nước cọt áp kế màng ven tủi có chưa Nếu casccoojt chất lỏng tứng nhánh (của màng venturi) tiến hành làm thí nghiệm Cịn chưa tiếp tục mở, đóng van - Khi mực chất lỏng cột áp màng chắn hay venturi nhau, ta tiến hành làm thí nghiệm - Ta chọn lưu lượng trước tùy ý ( ghi vào bảng 1) Từ từ mở van 7, ứng với độ mở van với lưu lượng chọn ta đọc cột áp venturi, màng chắn thời gian Khi tỏng bình chứa phải đóng lại van 7, mở van mở van cho nước vào bình chứa Lặp lại thí nghiệm từ đến lần b Thiết lập giản đồ f theo Re cho ống A, B, C, D van số  Cho ống A Khóa van 6, 7; mở van cho nước chảy vào đầy bình chứa, mở van nhánh áp kế ống A Kiểm tra mực nươc cột áp kế ống A, mức nước ta tiến hành thí nghiệm Dùng van để chỉnh lưu lượng (giống chỉnh van thí nghiệm 1) Ứng cới độ mở van ta đọc độ giảm áp màng chắn cho ống a có độ dài k = 1.5m Van chỉnh đến độ mở tối đa  Cho ống B,C,D Thao tác tương tự thí nghiệm cho ống A, thay mở van lúc ta mở van hoặc tùy loại ống  Cho van số Van số để mở hoàn toàn Dùn van số dể chỉnh lưu lượng giống thí nghiệm trên, ứng với độ mở van ta đọc độ giảm áp màng van Xong thí nghiệm với độ mở hồn tồn ta đóng lại van số vòng độ mở , tiếp tục đo trên; mở hết cỡ van số 6, lúc độ giảm áp màng van không thay đổi, nghĩa đo độ mở xong Tiếp tục khóa van số vòng 1 ta độ mở tiếp tục đo Như ta thí nhay van số 5: mở hoàn toàn, mở , mở độ mở nghiệm xong với độ mở khác Trở lực theo độ mở van cho bảng sau: Độ mở Hoàn toàn 4  ≈ t ống 0,26 2,06 17 Vì khơng kiểm nghiệm hệ số ma sát f theo độ mở van thí nghiệm nên tính l tđ cho phép sử dụng kết thí nghiệm cho ống A chiều dài III Số liệu xử lí số liệu Số liệu thơ: a Thí nghiệm STT Chế độ mở Hon ton ắ ẵ ẳ W (lớt) 5,5 4,5 5,5 t (s) 16 16 14 17 Pm (cm H2O) 10,5 11,3 11,5 9,5 Pv (cm H2O) 7,3 b Thí nghiệm  Ống A STT Ch m Hon ton ắ ẵ ¼ Pm (theo ống A) 10,5 11,3 11,5 9,5 PA (cm H2O) 1,4 1 Chế độ mở Hoàn ton ắ ẵ ẳ Pm (theo ng B ) 9,2 8,8 PB (cm H2O) 4 3,5 Ch m Hon ton ắ ẵ ẳ Pm (theo ống C) 6,5 4,5 PC (cm H2O) 12 12 10 Ch ế độ mở Hồn tồn ¾ ½ ¼ Pm (theo ống D) 1,8 PD (cm H2O) 10 11,2 10  Ống B STT  Ống C STT  Ống D STT c Thí nghiệm ( van số 5) STT Ch m Hon ton ắ ẵ Pm (cm H2O) 15,1 15,3 14,5 P5 (cm H2O) 4,5 5,1 9,5 Xử lí số liệu: a Thí nghiệm 1: Hệ số màng chắn Venturi Xét điều kiện thí nghiệm 30oC  ρg =996 kg/m3; v = 0,81x10-6 m2/s Gia tốc trọng trường g = 9,81m/s2  trọng lượng riêng lưu chất γ = 996 x 9,81=9770,76 N/m3 Độ nhớt nước μlV = 0,0008 Ns/m2 1mmH2O = 9,81Pa  1cmH2O = 98,1 Pa Công thức tính lưu lượng Q= W (L/s) t Cơng thức tính hệ số lưu lượng C = = √ V ∆P γ (1−β 4) d2 0,017 = = 0,425: tỉ số đường kính cổ venture hay lỗ màng chắn 0,04 d1 đường kính ống) o Hệ số màng chắn venture ( trường hợp mở hoàn toàn): Lưu lượng Q = W = = 0,375 (L/s) t 16 Vận tốc qua màng chắn venture V = Q ×0,375 ×10−3 = = 1,65 m/s π d2 3,14 × 0,0172 (với d=17mm: đường kính lỗ màng chắn venture) Re = ρgVd 996 ×1,65 ×10−3 = = 34922,25 μlV 0.0008 Hệ số màng chắn venture C m=V C v =V √ √ γ(1−β 4) 9770,76×(1−0,4254 ) = 4,998 =1,65 ∆ Pm 10,5× 98,1 √ √ γ (1−β 4) 9770,76×(1−0,4254 ) = 5,726 =1,65 ∆ Pv 8× 98,1 Hiệu số thủy dầu áp suất màng chắn venture ∆ Pm 10,5× 98,1 = =0,105 ρgg 996× 9,81 ∆ PV ×98,1 = =0,0803 ρgg 996 ×9,81 Tính tốn tương tự cho chế độ mở 3/4; 1/2; ¼ Từ ta tính bảng sau: STT Chế độ mở W (lít) t (s) Q V (lít/s) (m/s) Re Pm Pv (cmH2O) (cmH2O) Cm Cv Hon ton ắ ẵ ¼ 16 0,375 1,65 34922,25 10,5 1,596 1,828 5,5 4,5 5,5 16 14 17 0,344 1,56 33017,4 0,321 1,414 29927,31 0,323 1,423 30117,795 11,3 11,5 9,5 7,3 1,454 1,809 1,307 1,675 1,44 1,99 STT Chế độ mở Q (lít/s) ∆ Pm ρgg ∆ PV ρgg Hon ton ắ ẵ ẳ 0,375 (mH2O) 0,105 (mH2O) 0,0803 0,344 0,321 0,323 0,113 0,115 0,095 0,0733 0,0703 0,0502 Giản đồ lưu lượng Q (L/s) hiệu số thủy đầu áp suất ∆ Pm ∆ PV qua ρgg ρgg màng chắn ống venturi 0.4 0.38 0.36 Q (L/s) màng chắn Venturi 0.34 0.32 0.3 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 ∆𝑷/𝝆𝒈 (mH2O) (mH2O) Giản đồ hệ số lưu lượng kế Cm Cv theo Re 0.1 0.11 0.12 C theo Re 2.2 1.8 C Cm Cv 1.6 1.4 1.2 29000 30000 31000 32000 33000 34000 35000 36000 Re b Thí nghiệm 2: Tính thừa số ma sát ống dẫn Xét ống A mở hoàn toàn: Ở chế độ mở hoàn toàn: - Từ Cm tìm thí nghiệm ΔPm thí nghiệm 2, dùng cơng thức sau ta tìm Q : y= -0.0002x + 0.3436 (L/s) - Vận tốc dòng: V= 4Q πd (m/s) (với d=29mm: đường kính ống A) - ΔPP.2.g.d LV Thừa số ma sát ống A: f = ( với L=1.5m: chiều dài ống A) ρgVd - Chuẩn số Reynolds: Re = μlV Thực phép tính tương tự tính cho ống A với việc sử dụng số liệu đo cho ống B, C, D thí nghiệm đường kính ống B,C, D là: 22mm, 17mm, 13.5mm, chiều dài ống B, C, D 1.5m Kết quả:  Ống A ∆ Pm (m H2O) ρgg Chế độ mở HT ¾ ½ ¼ ∆ PA (m H2O) ρgg 0,1054 0,1134 0,1154 0,0953 0,01 0,014 0,01 0,01 Q (lít/s) V(m/s) f Re 0,289 0,297 0,299 0,279 0,43753 0,44965 0,45267 0,42239 0,0199 0,0264 0,0186 0,0213 15718 16154 16262 15175 Thừa số ma sát f theo Re ống A 0.03 0.03 f 0.02 f(x) = x + 0.01 R² = 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 15000 15200 15400 15600 15800 16000 16200 16400 Re  Ống B Chế độ mở HT ¾ ½ ¼ ∆ Pm (m H2O) ρgg 0,0923 0,0803 0,0883 0,0803 ∆ PB (m H2O) ρgg 0,0401 0,0401 0,0502 0,0351 Q (lít/s) V(m/s) f Re 0,276 0,264 0,272 0,264 0,726 0,6944 0,7155 0,6944 0,0219 0,024 0,0282 0,021 19788 18927 19501 18927 Thừa số ma sát f theo Re ống B 0.03 0.03 0.03 f(x) = x − 0.01 R² = 0.05 f 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 18800 19000 19200 19400 19600 19800 20000 Re  Ống C Ch m HT ắ ẵ ẳ Pm gg (m H2O) 0,0652 0,04518 0,0502 0,04016 ∆ PC ρgg (m H2O) 0,12048 0,12048 0,1004 0,0703 Q (lít/s) 0,248 0,228 0,233 0,223 V(m/s) 1,0926 1,0045 1,0265 0,9825 f 0,0224 0,0266 0,0212 0,0162 Re 23010 21154 21618 20691 Thừa số ma sát f theo Re ống C 0.03 0.03 0.03 f 0.02 f(x) = x − 0.01 R² = 0.09 0.02 0.02 0.02 0.02 20500 21000 21500 22000 22500 23000 23500 Re  Ống D ∆ Pm ρgg (m H2O) 0,0301 0,0181 0,0301 0,0201 ∆ PD ρgg (m H2O) 0,1004 0,0903 0,1104 0,1004 Q (lít/s) 0,213 0,201 0,213 0,203 V(m/s) 1,4881 1,4042 1,4881 1,4182 f 0,008 0,0081 0,0088 0,0088 Thừa số ma sát f theo Re ống D f Ch m HT ắ ẵ ẳ 0.01 0.01 0.01 0.01 f(x) = x + 0.01 0.01 R² = 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 23400 23600 23800 24000 24200 24400 24600 24800 25000 Re Re 24886 23484 24886 23718 c Thí nghiệm 3: tính chiều dài tương đương van số Ở chế độ van mở hoàn toàn van mở hoàn toàn: - Từ Cm tìm thí nghiệm ΔPm thí nghiệm 2, dùng cơng thức sau ta tìm Q : Y = -0.0002x + 0.3436 (L/s) - Vận tốc dòng: V= 4Q πd (m/s) ρgVd - Chuẩn số Reynolds : Re= μlV ξdd Chiều dài tương ng: le = f (m m HT ắ ẵ ¼ ∆ Pm ρgg ∆ P5 (cm ρgg Q (L/s) V (cm/s) V2/2g (m) f Re le (cm H2O) H2O) 15,161 15,361 4,518 5,12 0,335 0,337 26,658 26,818 0,0036 0,0177 0,0037 0,0177 13210 13289 0,09 0,588 14,558 9,538 0,329 26,181 0,0035 0,0175 12973 4,709 15,161 4,518 0,335 26,658 0,0036 0,0177 13210 0,09 Lưu lượng Q theo độ mở van vài áp suất 12 10 Q (L/s) 0.5 =0 f(x)1.5 R² = 2.5 3.5 Δp/ρg (cmH2O)p/ρg (cmH2O) g (cmH2O) 4.5 5.5 IV Nhận xét đánh giá Biện luận: a Thí nghiệm 1: hệ số lưu lượng kế Cm Cv theo chế độ chảy Re Ta có đường kính lỗ màng đường kính cỗ venturi nên V2=C √ P (1−β 4) Có  V2  C tỉ lệ với P Cấu tạo màng chắn venturi khác (màng chắn thay đổi kich thước đột ngột  tổn thất áp suất lướn venturi) Cm < Cv  kết thí nghiệm Sự phụ thuộc Cm Cv theo Re: theo phương trình trên, hệ số lưu lượng tỉ lệ thuận với vần tốc dòng chảy tỉ lệ nghịch với P Mà Re tăng dẫn đến P tăng, C tăng hay giảm phụ thuộc vào mức độ tawgn nhiều hay Re P So sánh lưu lượng kế màng venture: Pm > Pv nên sử dụng lưu lượng kế ven tủi cho kết xác b Thí nghiệm 2: hệ số ma sát f theo chế độ chảy Re cho ống A, B, C, D Theo lý thuyết: Chảy tầng: f=f1 (Re) Chảy rối thành trơn: f=f2 (Re) Chảy rối thành trơn sang chảy rối thành nhám: f=f3 (Re, /d) Chảy với thành nhám hồn tồn: f=f4 (/d) Tỉ số /D khơng đổi đường biểu diễn f khơng phụ thuộc chiều dài ống Theo thực nghiệm: Chiều dài ống ảnh hưởng đến f, điều hiểu độ nhám ống khơng đồng đều, khơng thơng suốt, có cặn đóng lịng ống c Thí nghiệm 3: Xác định chiều dài tương đương van Giản đồ Q theo độ mở van vài áp suất: theo đồ thị ta thấy, ứng với giá trị tổn thất cột áp định, lưu lượng tăng theo độ mở van Chiều dài tương đương van: độ mở van ảnh hưởng đế chiều dài tương đương van Độ mở lớn kar cảng trờ dòng nhỏ, chiều dài tương đương cà bé Chiều dài tương đương nhỏ mở van hồn tồn Lí sai số: - Van mở tay người nên khơng xác chế độ mở Đọc kết chậm nên sai số nhiều Thời gian xác định đồng hồ người thí nghiệm bấm nên sai số nhiều Các ống có độ nhám khơng đồng nhất, thành ống bị đóng cặn Đọc số liệu áp kế bị sai số nhiều chiều cao người thí nghiệm Đề nghị mục đích sử dụng van: Van trịn nên sử dụng muốn điều tiết lưu lượng nhỏ, muốn tăng giảm lượng nước nhỏ Do có tượng giảm áp lưu chất chảy qua van nên ngồi chức thay đổi lưu lượng dịng chảy, van sử dụng làm van tiết lưu hệ thống khác V Tài liệu tham khảo: Nguyễn Bin, Các q trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm (tập 1), NXB Khoa học Kỹ thuật  ... mở khác Trở lực theo độ mở van cho bảng sau: Độ mở Hoàn toàn 4  ≈ t ống 0,26 2,06 17 Vì khơng kiểm nghiệm hệ số ma s? ?t f theo độ mở van thí nghiệm nên t? ?nh l t? ? cho phép sử dụng k? ?t thí nghiệm. .. ch? ?t lỏng c? ?t áp màng chắn hay venturi nhau, ta tiến hành làm thí nghiệm - Ta chọn lưu lượng trước t? ?y ý ( ghi vào bảng 1) T? ?? t? ?? mở van 7, ứng với độ mở van với lưu lượng chọn ta đọc c? ?t áp venturi, ... f theo Re ( ) (giản đồ Moody) Ngoài m? ?t lượng ma s? ?t ống nói tren, ta cịn có m? ?t lượng trở lực cục bộ, ví dụ: thay đổi ti? ?t diện chảy, hay thay đổi ti? ?t diện van Trong trường hợ ta có cơng thức