THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ BÀI 1
Bài 1: MẠCH LƯU CHẤT A. LÝ THUYẾT I. Mục đích thí nghiệm: Khảo sát sự chảy của nước ở phòng thí nghiệm trong một hệ thống ống dẫn có đường kính khác nhau và có chứa lưu lượng kế màng chắn, venturi cùng các bộ phận nối ống như cút, van, chữ T. II. Cơ sở lý thuyết. 1. Lưu lượng kế màng chắn và venturi. Nguyên tắc của hai dụng cụ này là dùng sự giảm áp suất của lưu chất khi chảy qua chúng để đo lưu lượng. Lưu lượng kế Venturi và màng chắn Vận tốc trung bình ở vò trí (2) được tính từ công thức tổng kê năng lượng: )1( 4 2 βγ − ∆ = P CV Trong đó: C: hệ số của màng chắn và venturi, nó tùy thuộc vào chế độ chảy của Re. :P∆ độ giảm áp suất qua màng chắn hay venturi, N/m 2 . : γ trọng lượng riêng của lưu chất, N/m 3 . : 1 2 d d = β tỷ số giữa đường kính cổ venturi (hay đường kính lổ màng chắn) trên đường kính ống. Do đó lưu lượng qua màng chắn hay venturi được tính bằng: Q = V 2 A 2 = V 1 A 1 . 2. Tổn thất năng lượng do sự chảy của ống dẫn. Khi lưu chất chỷa trong ống, ta có sự mất năng lượng do ma sát ở thành ống. Xét trường hợp một ống tròn đều nằm ngang. 1 1 2 2 v v v v 2 2 1 1 Từ phương trình Becnoulli ta có: 0 2 )()( 2 =+∆+ ∆ + ∆− f HZ g V g P α ρ Vì: 0 2 )( 2 = ∆ g V α và 0 =∆ Z g P H f ρ ∆ =⇒ : f H thủy đầu tổn thất ma sát trong ống, m. Tổn thất năng lượng này liên hệ với thừa số ma sát bằng phương trình Darceyweisbach: gD LV fH f 2 2 = Trong đó: :f hệ số ma sát, vô thứ nguyên. L: chiều dài ống, m. D: đường kính ống, m. a) Trong chế độ chảy từng: Tổn thất ma sát được tính theo công thức sau: 2 32 gD LV H f ρ µ = Hệ số ma sát f có thể tính theo công thức của Hagen – Poiseuille: Re 6464 == ρ µ DV f Trong đó: : µ hệ số độ nhớt động lực học, Kg.s/m. V: vận tốc dòng chảy, m/s. : ρ khối lượng riêng của chất lỏng, Kg/m 3 . Đối với chất lỏng là nước ở điều kiện thường (20 o C) thì: µ = 10 -2 poise = 10 -3 Kg/s.m = 10 -3 N.s/m 2 = 10 -3 Pa.s và ρ = 1000 Kg/m 3 . b) Trong chế độ chảy rối: Hệ số ma sát f tùy thuộc vào Re và độ nhám tương đối của ống D ε . Độ nhám tương đối của ống là tỷ số giữa độ nhám thành ε (độ nhám tuyệt đối) trên đường kính ống D. Người ta có thể tính f từ một số phương trình thực nghiệm như phương trình Nikuradse, hay để thuận tiễn người ta sử dụng giản đồ f theo Re và D ε (giản đồ Moody). Ngoài sự mất mát năng lượng do ma sát trong ống dẫn nói trên, ta còn có sự mất mát năng lượng do trở lực cục bộ, như do sự thay đổi tiết dện chảy, thay đổi hướng chảy, hay do sự thay đổi tiết diện van. Trong trường hợp này ta có công thức tính trở lực cục bộ như sau: td td cb gD Vl fP 2 2 =∆ : td l chiều dài tương đương của cút, van, … Chiều dài tương đương được đònh nghóa như chiều dài của một đọan ống thẳng có cùng tổn thất năng lượng tại van, cút trong điều kiện như nhau. Trở lực này bằng thế năng riêng tiêu tốn dể thắng trở lực do bộ phận ta đang xét gây ra: g V P cb 2 2 ξ =∆ td td D l f= ξ f D l td td ξ = B. THÍ NGHIỆM I. Kết quả đo. Thí nghiệm 1: Trắc đònh lưu lượng kế màng chắn và venturi. lần TN đổ mở van 7 W (lít) thời gian t(s) 1 1/4 1 3.40 113.00 137.00 114.00 127.00 1/2 3 6.19 112.00 136.50 114.00 127.00 3/4 5 12.97 111.50 136.50 113.90 127.00 HT 7 22.58 111.00 136.00 113.00 127.00 2 1/4 1 3.87 119.00 135.00 110.00 128.00 1/2 3 8.93 112.00 136.50 114.00 127.00 3/4 5 13.63 111.50 136.50 113.00 127.00 HT 7 19.49 111.50 136.00 114.00 127.00 3 1/4 1 3.52 115.00 136.00 117.00 127.00 )( 2 OCmH g Pm ρ )( 2 OCmH g Pv ρ 1/2 3 8.59 111.50 136.50 114.00 127.00 3/4 5 14.00 111.00 137.00 113.00 127.00 HT 7 19.17 111.50 136.50 113.50 127.00 Thí nghiệm 2: Thiết lập giản đồ f theo Re cho ống A, B, C, D. 1. Cho ống A: 2. Cho ống B: Lần TN Độ mở van 6 1 1/4 125.5 133.5 129 127 1/2 114 134.5 126 121 3/4 108 136 124 118 HT 106 136 125 117 2 1/4 127 133 129 127 1/2 121 134 127 121 3/4 110 135.5 126 119 HT 106 136 124 117 3 1/4 124 134 128 126 1/2 106 135 126 122 3/4 109.5 136 125 119 HT 105 137 124 117 Lần TN Đổ mở van 6 1 1/4 127 134 129.00 128.00 1/2 113 134 125.00 123.00 3/4 113 142 123.00 120.00 HT 100 143 123 119 2 1/4 127 134.5 129 128 1/2 113.5 137 125 123 3/4 103 142 123 120 HT 99.5 143 123 119 3 1/4 126 134 129 128 1/2 114.5 137 125 123 3/4 103 142 123 120 HT 100 143 123 119 )( 2 OCmH g Pm ρ )( 2 OCmH g Pv ρ )( 2 OCmH g Pm ρ )( 2 OCmH g Pv ρ 3. Cho oáng C: 4. Cho oáng D: lần TN ñoä môû van 6 1 1/4 123 129 137 114 1/2 118 126.5 138 107 3/4 115.5 125 139 104 HT 114.5 124.5 139 102 2 1/4 125 130 137 117 1/2 117.5 126 138 106 3/4 115 125 139 103 lần TN ñoä môû van 6 1 1/4 124.5 134 132 123 1/2 115 133.5 131 116 3/4 110 133.5 130 112 HT 107 133 130 110 2 1/4 122 133.5 132 112 1/2 112 133.5 131 114 3/4 109 133 130 111 HT 107 133 130 110 3 1/4 124 134 131 123 1/2 111.5 133 131 113 3/4 108 133 131 111 HT 107 133.5 130 110 )( 2 OCmH g Pm ρ )( 2 OCmH g Pv ρ )( 2 OCmH g Pm ρ )( 2 OCmH g Pv ρ HT 114.5 124.5 140 102 3 1/4 123 129 137 113 1/2 116 125.5 139 104 3/4 114.5 124.5 139 102 HT 114 124.5 139 102 II. Kết quả tính. 1. Trình tự tính toán như sau: Thí nghiệm 1: )/( sl t W Q = )( 2 OmH g P g P g P mbemlơnm ρρρ −= ∆ )( 2 OmH g P g P g P vbevlơnv ρρρ −= ∆ µ ρ VD f == 64 Re Tìm V, ta có Q = V 2 A 2 = V 1 A 1 . V 1 = V 2 vì van và cút có tiết diện giống nhau, A 1 = A 2 do đường kính lỗ của màng chắn và đường kính cổ venturi bằng nhau (17mm), lối vào màng chắn và venturi bằng nhau (40mm). Vậy: )/( 4 2 sm D Q A Q V π == Q: m 3 /s. Sau khi tính V ta tính được Re. Với các thông số sau: ρ = 1000 Kg/m 3 khối lượng riêng của chất lỏng ở 20 0 C, 14.3 = π , µ = 10 -3 Kg/sm độ nhớt của nước ở 20 0 C, D = 17mm = 17.10 - 3 m đường kính lổ của màng và đường kính cổ của venturi. Tính Cm và Cv. Từ công thức: )1( 4 2 βγ − ∆ = P CV Ta có : ( ) 4 1 βγ − ∆ = P V C Với Cm thì tính theo m P∆ , Cv tính theo v P∆ g ργ = : 1 2 d d = β tỷ số giữa đường kính cổ venturi (hay đường kính lổ màng chắn) trên đường kính ống. 29 17 = β g g P P ρ ρ . ∆ =∆ Thí nghiệm 2: Q (l/s) được tra từ đồ thò biểu hiện sự phụ thuộc của Q đối với thủy dầu áp suất g P m ρ ∆ và g P v ρ ∆ g P m ρ ∆ và g P v ρ ∆ được tính tương tự như thí nghiệm 1. 2 4 D Q A Q V π == Với mỗi thí nghiệm tương ứng với mỗi loại ống thì D khác nhau. Số liệu kích thước cho mỗi loại ống cho trong bảng sau: Loại ống Đường kính ngoài (mm) Đường kính trong (mm) A 34 29 B 26.5 22 C 21.5 17 D 16.5 13.5 Tính f. Từ công thức: gD LV fH f 2 2 = Vậy: 2 2 LV gDH f f = Với: g P H ong f ρ ∆ = Lấy g = 10 m/s 2 . L: chiều dài của mỗi ống = 1.5m . f 64 Re = Thí nghiệm 3. Các thông số tính tương tự thí nghiệm 1 và thí nghiệm 2. f tra từ đồ thò Để tính chiều dài tương đương : td l cho van 5 theo các độ mở khác nhau ta có. g V P cb 2 2 ξ =∆ td td D l f= ξ f D l td td ξ = Trong đó: ξ và D td tra theo bảng sau ứng với mỗi độ mở khác nhau của van 5. Độ mở Mở hoàn toàn ¾ ½ ¼ ξ 0.12 0.26 2.06 17 D (mm) 29 26.83 22.63 16.28 2. Bảng kết quả tính cho mỗi thí nghiệm: Thí mghiệm 1: Q (l/s) Re Cm Cv V (m/s) 0.32 0.04 0.01 23713.43 6.5498 13.0996 1.3949 0.41 0.24 0.04 30752.85 3.4677 8.494135 1.809 0.42 0.3 0.05 31327.1 3.1595 7.739254 1.8428 0.45 0.31 0.05 33994.88 3.3728 8.398319 1.9997 0.31 0.19 0.03 23417.01 2.9677 7.468522 1.3775 0.42 0.3 0.04 31441.02 3.171 8.684213 1.8495 0.43 0.31 0.03 32495.42 3.2241 10.36395 1.9115 0.45 0.06 0.04 33559.89 7.5685 9.269458 1.9741 0.36 0.18 0.02 26667.06 3.4722 10.41655 1.5687 0.49 0.19 0.03 36974.23 4.6858 11.7924 2.175 0.43 0.31 0.03 32133.12 3.1881 10.2484 1.8902 0.44 0.31 0.02 32742.89 3.2486 12.78986 1.9261 Bảng giá trò trung bình: Re Cm Cv Q Pv Pm 24599 4.329892 10.3282 0.33 0.02 0.14 )( 2 OmH g Pm ρ ∆ )( 2 OmH g Pv ρ ∆ 33056 3.774856 9.65692 0.44 0.04 0.24 31985 3.19058 9.45053 0.43 0.04 0.31 33433 4.729985 10.1525 0.45 0.04 0.23 Thí nghieäm 2: Cho oáng A: Q (l/s) V (m/s) f Re 0.32 0.08 0.02 0.484712618 0.032915 14057 0.34 0.20 0.04 0.515007157 0.058314 14935 0.40 0.37 0.05 0.605890773 0.052665 17571 0.42 0.42 0.06 0.636185312 0.057322 18449 0.32 0.08 0.01 0.484712618 0.016458 14057 0.36 0.24 0.02 0.545301696 0.026007 15814 0.4 0.39 0.03 0.605890773 0.031599 17571 0.44 0.44 0.04 0.66647985 0.03482 19328 0.32 0.08 0.01 0.484712618 0.016458 14057 0.34 0.23 0.02 0.515007157 0.029157 14935 0.4 0.39 0.03 0.605890773 0.031599 17571 0.43 0.43 0.04 0.651332581 0.036458 18889 Cho oáng B: Q (l/s) V (m/s) f Re 0.10 0.03 0.842238248 0.012405 18529 0.10 0.20 0.04 0.894878139 0.014652 19687 0.20 0.30 0.04 0.947518029 0.013069 20845 0.30 0.33 0.05 1.00015792 0.014662 22003 0.33 0.06 0.02 0.842238248 0.00827 18529 0.06 0.13 0.06 0.868558193 0.02333 19108 0.13 0.26 0.07 0.921198084 0.024197 20266 0.26 )( 2 OmH g Pm ρ ∆ )( 2 OmH g Pv ρ ∆ )( 2 OmH g Pm ρ ∆ )( 2 OmH g Pv ρ ∆ [...]... 0.325 0.33 0.335 0.33 0.09 0 .10 0 .11 0 .10 0 .14 0 .16 0 .15 0 .14 2.2 716 74836 2.30662368 2.3 415 72523 2.30662368 0.004883 0.005 413 0.004924 0.004736 30668 311 39 316 11 311 39 0. 31 0.325 0.33 0.33 0.05 0.09 0 .10 0 .10 0.2 0.32 0.36 0.38 2 .16 6828305 2.2 716 74836 2.30662368 2.30662368 0.007667 0. 011 162 0. 012 179 0. 012 856 29252 30668 311 39 311 39 0.32 0.33 0.33 0.335 0.06 0 .10 0 .10 0 .11 Thí nghòêm 3: 0.24 0.35 0.37... 0. 010 802 23230 23979 23979 26976 0.04 0 .17 0 .14 0.28 0 .12 0.22 0.24 0.26 0.2 0 .17 0 .19 0.2 1. 3664 514 14 1. 45460957 1. 498688647 1. 542767725 0.024279 0. 018 211 0. 019 174 0. 019 047 23230 24728 25478 26227 0 .12 0.22 0.24 0.26 0 .10 0.22 0.25 0.27 0.08 0 .18 0.2 0.2 1. 410 530492 1. 45460957 1. 498688647 1. 542767725 0.00 911 4 0. 019 283 0.02 018 3 0. 019 047 23979 24728 25478 26227 0 .10 0.22 0.25 0.27 Cho ống D: Q (l/s) ∆... 0.07 0.947 518 029 0.0228 71 20845 0.30 0 .10 0.29 0.27 0.32 0.02 0.04 0.06 0.07 0.842238248 0.947 518 029 0.9 211 98084 1. 00 015 792 0.00827 0. 013 069 0.02074 0.020527 18 529 20845 20266 22003 0 .10 0.29 0.27 0.32 Cho ống C: Q (l/s) ∆ Pm (mH 2 O ) ρg ∆ Pv ( mH 2 O ) ρg V (m/s) f Re 0.04 0 .17 0 .14 0.28 0.03 0.09 0 .12 0 .12 1. 3664 514 14 1. 410 530492 1. 410 530492 1. 586846803 0.003642 0. 010 253 0. 013 6 71 0. 010 802 23230... 2.236725992 2.30662368 2.30662368 2.3 415 72523 0.008635 0. 011 8 41 0. 012 518 0. 012 147 3 019 6 311 39 311 39 316 11 III Xử lý số liệu (vẽ đồ thò) Giản đồ giữa lưu lượng Q đối với hiệu số thuỷ dầu áp suất ∆ Pm/ρ g và ∆ Pv/ρ g qua màng chắn và ống Venturi Giản đồ giữa hệ số lưu lượng kế Cm và Cv theo Re Giản đồ thừa số ma sát theo Re Giản đồ lưu lượng Q theo áp suất ở các độ mở van Giản đồ lưu lượng Q theo áp suất ở các... không ổn đònh - trong quá trình thí nghiệm nhiệt độ của nước tăng lean dẫn đến giá trò lưu lượng có thay đổi - Mức chất lỏng giao động nhanh do đó kết quả đọc được không chính xác - Điều chỉnh van không đều ở các thí nghiệm - Thí nghiệm sau dựa vào thí nghiemj trước để tính toán dẫn đến sai số ngày càng tăng * Nhận xét về mức độ tin cậy của kết quả: Các kết quả trong thí nghiệm 1 tuy có giá trò không... thành áp suất động lực nhiều) Hệ số lưu lượng kế Cm , Cv theo Re cùng moat lưu lượng chảy qua có hệ số lưu lượng venture thấp Theo lý thuyết V2 = C ∆P γ (1 − β 4 ) Do đó hệ số lưu lượng C sẽ tỷ lệ nghòch với độ giảm áp không có độ giảm áp lớn hơn suy ra hệ số lưu lượng của màng sẽ bé hơn venture như vậy kết quả thí nghiệm sẽ phù hợp với lý thuyết Mặt khác hệ số lưu lượng biểu thò tỷ lệ giưa vận tốc... van 13 giữa các lần thí nghiệm , sự rò rỉ chất lỏng dọc đường ống , độ nhám của ống không đồng đều dọc theo ống (do gỉ sét) Sự phân chia các khu vực chế độ chảy phụ thuộc vào độ nhám tương đối, đường kính của ống và vận tốc lưu chất trong ống do đó vùng Re chảy tầng của ống này có thể là vùng Re chảy rối của ống kia Ống 1" : f thay đổi theo Re chia làm hai khu vực : - f tăng khi Re tăng từ 6500 10 000... van gắn vào mạng ống IV Nhận xét kết quả và bàn luận 1 Giản đồ biểu diễn lưu lương Q đối với hiệu số thủy dầu áp suất qua màng chắn và Venturi : Độ chênh cột áp tăng theo lũy thừa 2 đối với lưu lượng ∆ p=K1Q Ứng với một giá trò Q, ∆ pm > ∆ pv thì tổn thất năng lượng qua màng lớn hơn qua venture Giải thích: màng có cổ co hẹp đột ngột làm cho dòng lưu chất khi qua màng bò tổn thất nhiều và đột ngột, vận... lượng của lưu lượng khi dòng chảy qua lưu lượng kế venturi nhỏ hơn tổn thất năng lượng của lưu lượng của lưu lượng kế màng 3 Giản đồ biểu diễn thừa số ma sát f theo Re : Theo lý thuyết : - Khu vực chảy tầng f=f1(Re) - Khu vực chảy rối thành trơn f=f2(Re) - Khu vực quá độ từ chảy rối thành trơn sang chảy rối thành nhám: f=f3(Re, ∆ /d) - Khu vực chảy với thành nhám hoàn toàn f=f4( ∆ /d) Theo thực nghiệm. .. hệ số lưu lượng kế Cm, Cv theo Re : Hệ số lưu lượng kế không thay đổi đối với một loại lưu lượng kế nhất đònh, không phụ thuộc vào chế độ dòng chảy trong khu vực Trong thực tế, hệ số Cm, Cv dao động quanh một giá trò nhất đònh Cm=0,5 Cv=0,8 Hệ số Cm,Cv dao động do dòng chảy không ổn đònh vì : - Thay đổi lưu lượng - Thay đổi độ mở của van 15 C biểu thò mức độ tổn thất năng lượng khi dòng chảy qua lưu . 12 3 1/ 2 11 5 13 3.5 13 1 11 6 3/4 11 0 13 3.5 13 0 11 2 HT 10 7 13 3 13 0 11 0 2 1/ 4 12 2 13 3.5 13 2 11 2 1/ 2 11 2 13 3.5 13 1 11 4 3/4 10 9 13 3 13 0 11 1 HT 10 7 13 3 13 0 11 0 3 1/ 4 12 4 13 4 13 1 12 3 1/ 2 11 1.5 13 3 13 1. 12 1 3/4 10 8 13 6 12 4 11 8 HT 10 6 13 6 12 5 11 7 2 1/ 4 12 7 13 3 12 9 12 7 1/ 2 12 1 13 4 12 7 12 1 3/4 11 0 13 5.5 12 6 11 9 HT 10 6 13 6 12 4 11 7 3 1/ 4 12 4 13 4 12 8 12 6 1/ 2 10 6 13 5 12 6 12 2 3/4 10 9.5 13 6 12 5 11 9 HT 10 5 13 7. 6 1 1/4 12 3 12 9 13 7 11 4 1/ 2 11 8 12 6.5 13 8 10 7 3/4 11 5.5 12 5 13 9 10 4 HT 11 4.5 12 4.5 13 9 10 2 2 1/ 4 12 5 13 0 13 7 11 7 1/ 2 11 7.5 12 6 13 8 10 6 3/4 11 5 12 5 13 9 10 3 lần TN ñoä môû van 6 1 1/4 12 4.5 13 4 13 2