Cột chêm

I TRÍCH YEÁU 2 1 Muïc ñích thí nghieäm 2 2 Phöông phaùp thí nghieäm 2 3 Keát quaû thí nghieäm 2 II CÔ SÔÛ LYÙ THUYEÁT 3 1 Ñoä giaûm aùp cuûa doøng khí 3 2 Heä soá ma saùt fck theo Rec khi coät khoâ 3[.]

Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm I TRÍCH YEÁU: Mục đích thí nghiệm .2 Phương pháp thí nghiệm: Kết thí nghiệm: .2 II CƠ SỞ LÝ THUYẾT: Độ giảm áp dòng khí: Hệ số ma sát fck theo Rec cột khô: .3 Độ giảm áp Pcư cột ướt: 4 Điểm lụt cột cheâm: .5 III THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: Thiết bị thí nghiệm: Các số liệu liên quan đến cột chêm: Phương pháp thí nghiệm: IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM: V BÀN LUẬN: .20 VI PHUÏ LUÏC: 21 VII TÀI LIỆU THAM KHAÛO: 22 -1 - Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm I TRÍCH YẾU: Mục đích thí nghiệm Khảo sát đặc tính động lực học lưu chất khả hoạt động cột chêm cách xác định:  Ảnh hưởng vận tốc dòng khí lỏng lên tổn thất áp suất (độ giảm áp) qua cột  Sự biến đổi hệ số ma sát cột khô fck theo chuẩn số Reynolds (Re) dòng khí suy hệ thức thực nghiệm  Sự biến đổi thừa số  liên hệ độ giảm áp dòng khí qua cột khô qua cột ướt theo vận tốc dòng lỏng  Giản đồ giới hạn khả hoạt động cột (giản đồ ngập lụt gia trọng) Phương pháp thí nghiệm: Cho dòng khí với lưu lượng khác qua cột có chứa vật chêm sứ Lần lượt khảo sát độ giảm áp có dòng khí chuyển động qua cột (cột khô) có dòng khí chuyển động qua cột kết hợp với dòng lỏng chảy từ xuống với lưu lượng khác (cột ướt) Kết thí nghiệm: G % 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 L=0 L = 0.2 L = 0.4 L = 0.6 L = 0.8 ΔPck1 ΔPck2 ΔP1 ΔP2 ΔP1 ΔP2 ΔP1 ΔP2 ΔP1 ΔP2 1 3 4 4 5 5 8 8 7 10 12 12 12 11 11 13 16 14 18 16 10 15 16 15 20 22 28 26 18 13 13 22 22 19 26 28 31 28 26 16 15 28 28 26 29 31 34 36 42 18 19 31 32 33 34 35 38 42 49 22 22 36 36 41 40 44 42 50 52 27 27 40 41 46 46 51 50 59 60 31 31 46 46 53 54 62 62 70 78 37 35 50 54 62 62 70 72 88 93 41 41 60 62 71 74 82 86 106 110 47 47 66 69 82 82 100 102 124 138 53 59 66 73 53 59 66 73 76 78 87 94 112 111 88 86 107 106 132 129 99 98 122 118 112 108 132 133 -2 - L=1 ΔP 15 30 32 36 45 58 66 88 128 L = 1.2 ΔP 17 40 54 58 66 112 140 Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm 100 81 81 124 123 151 148 II CƠ SỞ LÝ THUYẾT: Độ giảm áp dòng khí: Độ giảm áp Pck dòng khí qua cột phụ thuộc vào vận tốc khối lượng G dòng khí qua cột khô (không có dòng chảy ngược chiều) Khi dòng khí chuyển động khoảng trống vật chêm tăng dần vận tốc độ giảm áp tăng theo Sự gia tăng theo lũy thừa từ 1,8 đến 2,0 vận tốc dòng khí Pck = Gn với n = 1,8 – 2,0 (1) Khi có dòng lỏng chảy ngược chiều, khoảng trống vật chêm bị thu hẹp lại Dòng khí di chuyển khó khăn phần thể tích tự vật chêm bị lượng chất lỏng chiếm Khi tăng vận tốc dòng khí lên, ảnh hưởng cản trở dòng lỏng tăng lên đặn trí số tới hạn vận tốc khí, lúc độ giảm áp dòng khí tăng vọt lên Điểm ứng với trị số tới hạn vận tốc khí gọi điểm gia trọng Nếu tiếp tục tăng vận tốc dòng khí trị số tới hạn này, ảnh hưởng cản trở hỗ tương dòng lỏng dòng khí lớn, Pc tăng mau chóng không theo phương trình (1) Dòng lỏng lúc chảy xuống khó khăn, cột chêm điểm lụt Đường biểu diễn log(Pc/Z) (độ giảm áp suất dòng khí qua đơn vị chiều cao phần chêm cột) dự kiến trình bày hình -3 - Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm Hệ số ma sát fck theo Rec cột khô: Chilton Colburn đề nghị hệ thức liên hệ độ giảm áp dòng khí qua cột chêm khô với vận tốc khối lượng dòng khí qua cột ΔP ck =2 f ck G Z γ γ ρg D h h w , N/m2 Z: chiều cao phần chêm, m G: vận tốc khối lượng dòng khí dựa đơn vị tiết diện cột, kg/s.m2 Dh: kích thước đặc trưng vật chêm, m g: khối lượng riêng pha khí, kg/m3 h: hệ số điều chỉnh dùng cho vật chêm rỗng w: hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng thành cột lên độ xốp cột chêm Sherwood tổng hợp kết số nghiên cứu đưa trị số sau cho vòng sứ Raschig: h = 0,35 w = Tuy nhiên, Zhavoronkov đề nghị hệ thức khác xác đưa trị số độ xốp cột chêm vào hệ thức: f ck G Z ΔP ck = ε ρG De , N/m2 Với: : độ xốp vật chêm De = 4ε : a đường kính tương đương vật chêm, m a: diện tích bề mặt riêng vật chêm, m2/m3 Hệ số ma sát fck hàm số theo chuẩn số vô thứ nguyên Rec, với Rec tính theo công thức sau: -4 - Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm Re c= GDe εμ = 4G aμ : độ nhớt dòng khí, kg/ms Zhavoronkov xác định dòng khí chuyển từ chế độ chảy tầng sang chế độ chảy rối ứng với trị số Rec = 50 Trong vùng chảy rối, 50 < Rec < 7000 với cột chêm ngẫu nhiên Ta được: 3,8 f ck = 0,2 Rec Tuy nhiên, hệ thức tổng quát không xác không xem xét toàn ảnh hưởng hình dạng vật chêm Độ giảm áp Pcư cột ướt: Sự liên hệ độ giảm áp cột khô Pck cột ướt Pcư biểu diễn sau: Pcư = Pck Do dự kiến fcư = fck Với : hệ số phụ thuộc vào mức độ xối tưới dòng lỏng L, kg/m2s Leva đề nghị ảnh hưởng L lên  sau:  = 10L hay log = L Giá trị  tùy thuộc vào loại, kích thước, cách thức xếp vật chêm (xếp ngẫu nhiên hay theo thứ tự) độ lớn lưu lượng dòng lỏng L Thí dụ với vật chêm vòng sứ Raschig 12,7mm, chêm ngẫu nhiên, độ xốp  = 0,586; giá trị L từ 0,39 đến 11,7 kg/m2s cột hoạt động vùng điểm gia trọng  = 0,084 Δp cư Một số tài liệu biểu diễn phụ thuộc tỉ số với hệ số xối tưới sau: √ Δp ck ( ) ,75 G L q ReL Fρ L gε Khi A< 0,3 cho vật chêm sứ có d < 30mm, ta có: Δp cư = Δp ck (1−A )3 GL Re L= Fa μ L A=3 Điểm lụt cột chêm: Khi cột chêm bị ngập lụt, chất lỏng chiếm toàn khoảng trống phần chêm, dòng chảy bị xáo trộn mãnh liệt, tượng bất lợi cho hoạt động cột chêm Gọi giá trị GL tương ứng với trạng thái GL* -5 - Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm Zhavoronkov kết luận trạng thái ngập lụt xảy hai nhóm số sau có liên hệ định với cho cột ( ) f ck a v ρG 0,2 Π 1= μ g ρL tñ ε Π 2= L G √ ρG ρL Với fck: hệ số ma sát cột khô v: vận tốc dài dòng khí trước vào cột, m/s tđ: độ nhớt tương đối chất lỏng so với nước, μl μtđ = , μnước chất lỏng nước tđ = Do liên hệ 1, 2 giản đồ log1 - log2 xác định giản đồ lụt cột chêm, phần giới hạn hoạt động cột chêm đường III THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: Thiết bị thí nghiệm: Gồm có: Cột thủy tinh, bên vòng sứ Raschig xếp chêm ngẫu nhiên Hệ thống cấp khí gồm có:  Bơm (quạt) thổi khí BK  Ống dẫn khí  Áp kế sai biệt chữ U  Lưu lượng kế khí F có độ chia từ đến 100% Hệ thống cấp nước gồm:  Thùng chứa nước nhựa N -6 - Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm   Bơm chất lỏng BL Lưu lượng kế lỏng Fl có độ chia từ 0,2 dến 3,5 galon/ph Các số liệu liên quan đến cột chêm: Cột thủy tinh:  Đường kính d = 0,09 m  Chiều cao H = 0,805 m  Chiều cao phần chêm Z = 0,6 m Vật chêm xếp ngẫu nhiên, vòng Raschig đường kính 12,7mm, bề mặt riêng a = 370 – 380 m2/m3, độ xốp  = 0,586 Đường kính ống thép đáy cột D = 0,09m Phương pháp thí nghiệm: 1) Khóa lại tất van lỏng (từ đến 4) 2) Mở van khóa van 3) Cho quạt chạy phút để thổi hết ẩm cột Tắt quạt 4) Mở van 2, sau cho bơm chạy 5) Mở van từ từ khóa van để điều chỉnh mức lỏng đáy cột ngang với ống định mức g Tắt bơm khóa van 6) Đo độ giảm áp cột khô:  Khóa tất van lỏng lại Mở van van đóng Cho quạt chạy từ từ mở van để chỉnh lưu lượng khí vào cột  Ứng với giá trị lưu lượng khí chọn ta đọc Pck áp kế U theo mmH2O Đo xong tắt quạt, nghỉ phút 7) Đo độ giảm áp cột ướt:  Mở quạt điều chỉnh lưu lượng khí qua cột khoảng 15 – 20%  Mở van cho bơm chạy Dùng van VL lưu lượng kế để chỉnh lưu lượng lỏng (lưu lượng kế lỏng có vạch chia 0,1; 0,2; …;1,6) Nếu VL mở tối đa mà phao không lên dùng van để tăng lượng lỏng  Ứng với lưu lượng lỏng chọn (ví dụ: 0,1; 0,2…) cố định, ta chỉnh lưu lượng khí đọc độ giảm áp Pcư giống Pck trước Chú ý tăng lượng khí đến điểm lụt Chú ý: 1) Trong trình đo độ giảm áp cột ướt cần canh giữ mức long đáy cột ổn định ¾ chiều cao đáy cách chỉnh van Nếu cần, tăng cường van để nước cột thoát bình chứa (van dùng để xả nhanh giảm lưu lượng khí) 2) Khi tắt máy phải tắt bơm lỏng BL trước, mở tối đa van sau tắt quạt BK 3) Nếu sơ xuất để nước tràn vào ống dẫn khí mở van xả nước phía bảng -7 - Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM: Bảng 1: Các trị số kết cột khô L = G % 10 15 20 G (kg/m2.s) 0.085 ∆Pck (mm H2O) ∆Pck (N/m2) 19.6 0.127 29.4 0.169 39.2 ∆Pck/Z (N/m) fck Reck logG log∆Pck/ Z 47.46 1.07 1.514 1.62 49 70.92 0.89 1.690 65.33 1.53 94.38 0.77 0.73 32.67 -8 - 1.815 Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 0.211 0.254 0.296 0.338 0.38 0.423 0.465 0.507 0.55 0.592 10 14 16 20 23 27 33 38 44 78.4 98 137 156 196 225 264 323 372 431 0.634 49 480 0.676 56 548 130.6 1.46 163.3 1.41 228.6 1.36 261.3 1.33 326.6 1.30 375.6 1.27 1.25 441 1.22 539 620.6 1.20 718.6 1.19 117.8 36 0.67 2.116 141.8 50 0.59 2.213 165.3 05 0.52 2.359 188.7 61 0.47 2.417 212.2 16 0.42 2.514 236.2 30 0.37 2.575 259.6 86 0.33 2.644 283.1 41 0.29 2.732 307.1 55 0.26 2.793 330.6 11 0.22 2.857 2.903 2.961 800.3 1.17 354.0 66 0.19 914.6 1.16 377.5 - -9 - Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm 85 90 95 100 0.719 617 63 0.761 0.845 1.13 1127 764 78 872 89 1.14 1029 676 69 0.803 1.12 1274 1453 1.10 67 22 0.17 401.5 36 0.14 3.012 424.9 91 0.11 3.052 448.4 47 0.09 3.105 471.9 02 0.07 3.162 Đồ thị LogΔPck/Z theo LogG với L = l o g ∆ P c k / Z f(x) = 1.71 x + 3.24 R² = 0.993300632783389 logG Bảng 2: Các trị số kết trường hợp cột ướt L = 0,2 G % G (kg/m2.s) ∆Pcư (mm H2O) ∆Pcư (N/ m2) ∆Pcư/Z (N/m) fcư Recư 10 0.085 29.4 49 1.106 43.10 15 0.127 39.2 65.33 2.160 43.10 -10 - σ (kg/ m2s) 1.500 1.333 Thí nghiệm trình thiết bị Cột cheâm 10 0.845 117 1146 43.10 1911 1.458 1.315 Đồ thị ΔPcư/Z theo G với L = 0.2 ∆ Pc ư/ Z (N / m ) f(x) = 3574.73 x² − 636.01 x + 102.38 R² = 0.957148356887093 G (kg/m s) Bảng 3: Các trị số kết trường hợp cột ướt L = 0,4 G% 10 15 20 25 30 0.085 ∆Pcư (mm H2O) 0.127 G (kg/m s) 0.169 0.211 0.254 10 13 ∆Pcư (N/m2) ∆Pcư/Z (N/m) fcư Recư 39.2 65.33 1.474 86.209 2.000 49 81.67 2.700 86.209 1.667 68.6 114.3 2.678 86.209 1.750 98 163.3 1.830 86.209 1.250 127.4 212.3 1.834 86.209 1.300 1.954 86.209 1.429 1.832 86.209 1.375 35 0.296 20 196 326.6 40 0.338 22 215.6 359.3 -12 - σ (kg/m2s) Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 0.38 28 274.4 457.3 0.423 36 352.8 588 1.994 86.209 1.565 509.6 849.3 2.407 86.209 1.926 725.2 1208 67 2.756 86.209 2.242 2.513 86.209 2.079 0.465 0.507 52 74 1.821 86.209 1.400 0.55 79 774.2 1290 33 0.592 84 823.2 1372 2.274 86.209 1.909 94 921.2 1535 33 2.254 86.209 1.918 107 1048 1747 67 2.216 86.209 1.911 128 1254 2090 67 2.328 86.209 2.032 146 1430 2384 67 2.397 86.209 2.116 164 1607 2678 67 2.357 86.209 2.103 1715 2858 33 2.181 86.209 1.966 0.634 0.676 0.719 0.761 0.803 0.845 175 Đồ thị ΔPcư/Z theo G với L = 0.4 -13 - Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm ΔP cư / Z (N / m) f(x) = 4492.74 x² − 391.83 x + 42.89 R² = 0.993832397949885 G (kg/m2 s) Baûng 4: Các trị số kết trường hợp cột ướt L = 0,6 G% 10 15 20 25 30 35 40 G (kg/m s) 0.085 0.127 0.169 0.211 0.254 0.296 0.338 ∆Pcư (mm H2O) 13 17 25 30 ∆Pcư (N/m2) 49 ∆Pcư/Z (N/m) 81.67 58.8 98 78.4 130.6 127.4 212.3 166.6 277.6 245 408.3 fcư Recư 1.843 129.31 29 2.500 3.240 129.31 29 2.000 3.060 129.31 29 2.000 2.379 129.31 29 1.625 2.399 129.31 29 1.700 2.443 129.31 29 1.786 2.498 129.31 29 1.875 1.750 2.348 294 490 2.277 129.31 29 2.991 129.31 45 0.38 35 343 571.6 50 0.423 54 529.2 882 -14 - σ (kg/m2s) Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm 29 55 0.465 60 89 0.507 65 93 0.55 70 75 0.634 80 0.676 85 0.719 90 0.761 95 0.803 872.2 911.4 1519 921.2 1535 33 98 960.4 1600 67 116 1136 1894 67 146 1430 2384 67 164 1607 2678 67 187 1832 3054 33 226 2214 3691 33 94 0.592 1453 67 4.120 129.31 29 3.296 3.464 129.31 29 2.818 2.991 129.31 29 2.474 2.653 129.31 29 2.227 2.782 129.31 29 2.367 3.024 129.31 29 2.607 2.983 129.31 29 2.603 3.071 129.31 29 2.710 3.248 129.31 29 2.897 Ở giá trị G = 85% tượng lụt bắt đầu Đồ thị ΔPcư/Z theo G với L = 0.6 / Z ( N / m ) cư ∆ P f(x) = 6257.68 x² − 812.73 x + 102.68 R² = 0.983425443511391 -15 - Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm Bảng 5: Các trị số kết trường hợp cột ướt L = 0,8 G% 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 G (kg/m2.s) 0.085 0.127 0.169 0.211 0.254 0.296 0.338 0.38 0.423 0.465 0.507 0.55 0.592 0.634 ∆Pcư (mm H2O) 13 17 25 30 35 54 89 93 ∆Pcư (N/m2) 49 ∆Pcư/Z (N/m) 81.67 58.8 98 78.4 130.6 127.4 212.3 166.6 277.6 245 408.3 294 490 343 571.6 529.2 882 872.2 1453 67 911.4 1519 921.2 1535 33 98 960.4 1600 67 116 1136 1894 67 94 -16 - fcư Recư σ (kg/m2s) 1.843 129.31 29 2.500 3.240 129.31 29 2.000 3.060 129.31 29 2.000 2.379 129.31 29 1.625 2.399 129.31 29 1.700 2.443 129.31 29 1.786 2.498 129.31 29 1.875 2.277 129.31 29 1.750 2.991 129.31 29 2.348 4.120 129.31 29 3.296 3.464 129.31 29 2.818 2.991 129.31 29 2.474 2.653 129.31 29 2.227 2.782 129.31 29 2.367 Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm 80 0.676 85 0.719 90 0.761 95 0.803 146 1430 2384 67 164 1607 2678 67 187 1832 3054 33 226 2214 3691 33 3.024 129.31 29 2.607 2.983 129.31 29 2.603 3.071 129.31 29 2.710 3.248 129.31 29 2.897 Ở giá trị G = 75% tượng lụt bắt đầu Đồ thị ΔPcư/Z theo G với L = 0.8 / Z ( N / m ) cư ∆ P f(x) = 4606.59 x² + 2353.75 x − 341.02 R² = 0.98586968739578 G (kg/m2 s) Đồ thị Đồ thị mô tả ảnh hưởng G (lưu lượng không khí) lên ΔP/Z (chênh lệch áp suất qua đơn vị chiều cao) tương quan so sánh lưu lượng chảy L khác -17 - Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm f(x) = 4610.67 x² + 2350.41 x − 340.26 R² = 0.98589574628115 Δ P/ Z ( N/ m ) f(x) = 6258.60470023632 x² − 812.75268135898 x + 102.637469900239 R² = 0.98349741336361 f(x) = 4485.0034732277 x² − 385.455196495307 x + 41.9913312693491 R² = 0.993780280760065 f(x) = 3567.92268490695 x² − 630.130151340873 x + 101.455452356381 R² = 0.95714796126971 f(x) = 1882.67723921247 x² + 57.8319513304027 x + 20.4866185070523 R² = 0.998742624685477 G (kg/m2 s) L=0 Polynomial (L=0) L=0.2 Đồ thị mô tả ảnh hưởng LogG lên Log(ΔP/Z) (độ giảm áp suất qua đơn vị chiều cao) tương quan so sánh lưu lượng chảy L khaùc -18 - l o g ( Δ P Z ) Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm f(x) = 2.43 x + 1.94 R² = 0.91094273409982 f(x) = 2.31409471475235 x + 1.84298268282687 f(x) 2.20024022019971 x + 1.77133588032389 R² ==0.956426016180906 R² = 0.962711516623194 f(x) = 2.05470233883267 x + 1.71575482909557 R² f(x)==0.955775117330484 1.99838942291028 x + 1.62000687062505 R² = 0.934995296429057 logG -19 - L=0 Linear (L=0) L=0.2 Linear (L=0.2) L=0.4 Linear (L=0.4) L=0.6 Linear (L=0.6) L=0.8 Linear (L=0.8) Thí nghiệm trình thiết bị Cột chêm Đồ thị mô tả ảnh hưởng Re lên logfck logfcư tương quan so saùnh Logfc LogReck -20 -