Báo cáo thực hành bài 2 mạch lưu chất

Giới thiệu

Khi chất lỏng không nén chảy qua các ống và thiết bị, áp suất sẽ bị tổn thất, dẫn đến việc tăng năng lượng cần thiết để vận chuyển Do đó, trong quá trình tính toán và thiết kế thiết bị vận chuyển chất lỏng, cần phải xác định các tổn thất này Bài thí nghiệm mạch lưu chất sẽ giúp sinh viên xác định các tổn thất như tổn thất ma sát với thành ống, tổn thất cục bộ do co, van, đột thu, đột mở, và tính toán hệ số lưu lượng của các dụng cụ đo như màng chắn, Ventury, ống Pito.

Mô hình thí nghiệm này được thiết kế nhằm nghiên cứu chi tiết tổn thất cột áp của lưu chất khi dòng lưu chất không nén được di chuyển qua ống, các co nối, van và thiết bị đo lưu lượng.

Trở lực ma sát trong ống thẳng được nghiên cứu trong khoảng số Reynolds từ 10^3 đến gần 10^5, phản ánh sự chuyển tiếp từ chế độ chảy tầng sang chảy rối trong ống trơn Một thí nghiệm bổ sung được thực hiện trên ống nhám nhằm so sánh ảnh hưởng của độ nhám ở cùng kích thước ống, cũng như ở các giá trị số Reynolds cao hơn.

Cùng với đó, việc khảo sát trở lực qua van, việc đo lưu lượng qua màng chắn, ốngVentury cũng được thực hiện.

Mục đích thí nghiệm

Trong thí nghiệm 1, chúng ta sẽ xác định mối quan hệ giữa tổn thất áp suất do ma sát và vận tốc của nước chảy trong ống trơn, đồng thời tính toán hệ số ma sát f Nghiên cứu này giúp hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của vận tốc đến tổn thất áp suất trong hệ thống ống dẫn.

- Thí nghiệm 2: Xác định trở lực cục bộ của co, van, đột thu, đột mở.

Trong thí nghiệm 3, chúng ta sẽ xác định hệ số lưu lượng của các dụng cụ đo như màng chắn và ventury Việc đo độ chênh áp đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán lưu lượng và vận tốc của nước trong ống dẫn, giúp tối ưu hóa quá trình vận chuyển và sử dụng nước hiệu quả hơn.

Cơ sở lý thuyết

Trở lực ma sát

Giáo sư Osborne Reynolds đã chỉ ra rằng có 2 chế độ có thể tồn tại trong 1 ống:

- Chảy tầng (Laminar): tổn thất cột áp tỷ lệ thuận với vận tốc V (hoặc u )

- Chảy rối (Turbulent): tổn thất cột áp tỷ lệ thuận vói V n ( hoặc u n )

Hai loại chế độ này được phân chia bởi chế độ quá độ mà không xác định được mối quan hệ giữa tổn thất cột áp và vận tốc.

Trở lực do ma sát của chất lỏng chảy choán đầy trong ống được tính theo công thức sau: h f = f L D

Trong đó: f : Hệ số ma sát (không thứ nguyên)

V: Vận tốc chuyển động dòng lưu chất, m/s

Để xác định hệ số ma sát trong dòng chảy, chúng ta dựa vào chuẩn số Reynolds Công thức tính chuẩn số Reynolds được sử dụng để phân loại chế độ chảy của chất lỏng.

V: Vận tốc chuyển động của lưu chất trong ống (m/s)

: Khối lượng riêng của lưu chất ( kg/m 3 )

: Độ nhớt động lực học của lưu chất, Pa.s (kg/(m.s))

: Độ nhớt động học của lưu chất ( m 2 /s)

Dtđ: Đường kính tương đương, m

Với vận tốc lưu chất xác định như sau: V = Q υ

Qv: lưu lượng của dòng chảy trong ống, m 3 /s

A: diện tích mặt cắt ống dẫn, m

Công thức thực nghiệm xác định hệ số ma sát f

Re 2300: Chế độ chảy dòng hay chảy tầng: Không có ma sát nội bộ ống chất lỏng, hệ số ma sát f không phụ thuộc vào độ nhám ống dẫn. f = 64 ℜ

Chế độ chảy quá độ với số liệu 2300 Re 4000 cho thấy hệ số sức cản tăng dần, tuy nhiên độ nhám của ống vẫn chưa ảnh hưởng đến giá trị f Giá trị f được xác định theo công thức Braziut và có giá trị là f = 0,3164.

Chế độ chảy xoáy trong ống nhẵn với độ dày màng chảy tương đối dày có khả năng phủ kín các gờ nhám, khiến ống tuy có nhám nhưng vẫn được coi là ống nhẵn, được gọi là ống có độ nhẵn thủy học Hệ số ma sát f trong trường hợp này chưa bị ảnh hưởng bởi độ nhám và được tính toán theo công thức Ixaep: f = (1,8.log 1(ℜ) - 1,5)².

Khi số Reynolds (Re) lớn hơn hoặc bằng 100000, chuyển động chảy xoáy trong ống nhám diễn ra với chiều dày màng chảy dòng mỏng chỉ còn gần sát thành ống Sức cản do hiện tượng tạo thành xoáy lốc trong lòng chất lỏng đạt tới giá trị không đổi, không phụ thuộc vào số Re mà chỉ phụ thuộc vào độ nhám tương đối n của ống Độ nhám này được xác định bằng công thức Ixaep: f = [−1, 8.log(3, n 7 D) 1,11]².

Hoặc hệ số ma sát có thể tìm dựa vào giãn đồ Moody

Trở lực cục bộ

Trở lực cục bộ trong hệ thống ống dẫn xảy ra khi chất lỏng thay đổi hướng chuyển động hoặc vật tốc do sự biến đổi hình dáng của tiết diện ống, chẳng hạn như ở các vị trí đột thu, đột mở, chỗ cong, van và khớp nối Trở lực này được ký hiệu là hm và đơn vị đo lường là mét (m), với công thức hm = k ν.

Trong đó: k: hệ số trở lực cục bộ

Đo lưu lượng theo nguyên tắc chênh áp biến thiên

Lưu lượng kế màng chắn và Ventury

Màng chắn và Ventury là hai thiết bị đo lưu lượng dựa trên nguyên tắc chênh lệch áp suất khi dòng chất lỏng đi qua tiết diện hẹp Theo phương trình Bernoulli, có mối liên hệ rõ ràng giữa lưu lượng và tổn thất áp suất qua màng chắn và Ventury, được thể hiện qua các công thức cụ thể.

A1: Tiết diện ống dẫn, m 2 A2: Tiết diện thu hẹp đột ngột, m 2

P: áp suất, Pa γ : trọng lượng riêng của lưu chất, N/m 3

Ống Pitot

Dùng ống pitot ta có thể đo được áp suất toàn phần Ptp và áp suất tĩnh Pt, từ đó có thể xác định được áp suất động.

Trong đó: V: vận tốc dòng chảy trong ống, m/s

Ptp: áp suất toàn phần (áp suất tại điểm ngưng đọng_stagnation point),Pa

Pt: áp suất tĩnh, Pa

Tiến hành thí nghiệm

Chuẩn bị thí nghiệm

Lưu chất được sử dụng trong thiết bị là nước.

- Kiểm tra nước trong bồn chứa, nước phải chiếm ắ bồn, nạp thờm nếu cần

- Mở tất cả các van, bật bơm cho nước vào hệ thống, đợi khoảng 2-3 phút để nước chảy ổn định và đuổi hết bọt khí ra ngoài.

Thí nghiệm 1: Xác định tổn thất ma sát của chất lỏng với thành ống

- Điều chỉnh thước đo độ chênh lệch áp suất cân bằng ở các vị trí đo

Mở van 6 (van hoàn lưu) và mở hoàn toàn các van 1, 2, 3, 4, 5 để cho dòng chất lỏng chảy qua hệ thống thiết bị, giúp loại bỏ hoàn toàn không khí trong hệ thống.

Mở bơm để loại bỏ khí trong hệ thống thiết bị Khi không còn không khí, điều chỉnh van 6 để tránh chênh lệch áp suất lớn, ngăn ngừa hiện tượng trào nước ở hai bên thiết bị đo áp suất.

- Tiến hành đo độ chênh lệch cột áp do ma sát của chất lỏng với từng loại ống.

- Mở lần lượt các van 2, 3, 4, 5 để khảo sát với từng loại ống.

- Điều chỉnh lưu lượng vào hệ thống nhiều lần để thu được kết quả thí nghiệm.

- Ứng với mỗi lưu lượng đọc độ chênh áp, ghi nhận kết quả.

Thí nghiệm 2: Xác định trở lực cục bộ

- Điều chỉnh thước đo độ chênh lệch áp suất cân bằng ở các vị trí đo

Mở van 6 (van hoàn lưu) và hoàn toàn mở các van 1, 2, 3, 4, 5 để cho phép dòng chất lỏng chảy qua hệ thống thiết bị, nhằm loại bỏ hoàn toàn không khí trong hệ thống.

Mở bơm để xả khí ra khỏi hệ thống thiết bị Khi không còn không khí trong thiết bị, điều chỉnh độ mở của van 6 để tránh hiện tượng chênh lệch áp suất lớn, gây trào nước ở hai bên thiết bị đo áp suất.

- Đóng hoàn toàn các van 3, 4, 5, để mở van 2 để đo độ chênh lệch áp suất từ 2 thiết bị đột thu và đột mở.

- Điều chỉnh lưu lượng vào hệ thống nhiều lần để thu được kết quả thí nghiệm.

- Ứng với mỗi lưu lượng đọc độ chênh áp, ghi nhận kết quả.

Thí nghiệm 3: Đo lưu lượng dựa vào độ chênh áp

- Điều chỉnh thước đo độ chênh lệch áp suất cân bằng ở các vị trí đo

Mở van 6 (van hoàn lưu) và hoàn toàn mở các van 1, 2, 3, 4, 5 để cho dòng chất lỏng chảy qua hệ thống thiết bị, nhằm loại bỏ hoàn toàn không khí trong hệ thống.

Mở bơm để loại bỏ không khí khỏi hệ thống thiết bị Khi không còn không khí trong thiết bị, hãy điều chỉnh van 6 để tránh hiện tượng chênh lệch áp suất lớn, gây tràn nước ở hai bên thiết bị đo áp suất.

- Đóng hoàn toàn các van 3, 4, 5, để mở van 2 để đo độ chênh lệch áp suất từ các thiết bị màng chắn, Ventury và ống Pitot

- Điều chỉnh lưu lượng vào hệ thống nhiều lần để thu được kết quả thí nghiệm.

- Ứng với mỗi lưu lượng đọc độ chênh áp, ghi nhận kết quả.

Kết quả và xử lý số liệu

Thí nghiệm 1: Xác định tổn thất ma sát của chất lỏng với thành ống Ống trơn 16 Փ

Các thông số tra bảng ở t = 25 o C: ρ = 1000(kg/m 3 ), μ = 8,937 ×10 -4 (m 2 /s), L =1,2m Ống Փ16 Փ 21 Փ27 trơn Փ27 nhám

Tiết diện của ống trơnՓ16:

4 = 7 , 85 × 10 − 5 (m 2 ) Lưu lượng dòng lưu chất chảy qua thiết bị trong 1s

*Nếu Re ≤ 2300 thì hệ số ma sát f = 64 ℜ =

Hệ số ma sát lý thuyết f lt(Re ≤ 2300) h f = f × L D

Hệ số ma sát thực nghiệm: f TN = h f ( TN ) × D 2 g

1 , 2 0,149 2 = 0 , 0147 Với h f ( TN )=∆ P = 0,2 (cm) = 0,002 (m) Ống trơn 16Փ

Q (L/ph) ∆P V Log V Re f lt hf (lt) Log hf

(lt) hf (tn) Log hf

-3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 Đồ thị quan hệ giữa logV và log hf (LT) và log hf (TN) của ống dẫn 16Փ log hf (LT) log hf (TN) log V l o g h f

Hình 1 Đồ thị quan hệ giữa logV và log h f (LT) và log h f (TN) của ống dẫn 16 Փ

0.5 Đồ thị quan hệ giữa tổn thất cột áp và vận tốc ống dẫn 16Փ hf (TN) hf (LT)

Hình 2 Đồ thị quan hệ giữa tổn thất cột áp và vận tốc ống dẫn 16 Փ

Tiết diện của ống trơn 2Փ 1:

4 = 1 , 77 × 10 − 4 (m 2 ) Lưu lượng dòng lưu chất chảy qua thiết bị trong 1s

*Nếu Re ≤ 2300 thì hệ số ma sát f = 64 ℜ =

Hệ số ma sát lý thuyết f lt(Re ≤ 2300) h f = f × L D

Hệ số ma sát thực nghiệm: f TN = h f ( TN ) × D 2 g

1 , 2 0,078 2 = 0,121 Với h f ( TN )=∆ P = 0,3 (cm) = 0,003 (m) Ống trơnՓ21

Q (L/ph) ∆P V Log V Re f lt hf (lt) Log hf

(lt) hf (tn) Log hf

0.09 Đồ thị mối quan hệ giữa tổn thất cột áp và vận tốc đối với ống trơn 21Փ hf (LT) hf (TN)

Hình 3 Đồ thị quan hệ giữa tổn thất cột áp và vận tốc ống trơn 21 Փ

-4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 Đồ thị mối quan hệ giữa logV và log hf (LT) và log hf (TN) của ống trơn 21Փ log hf (LT) log hf (TN) logV l o g h f Ố ng trơnՓ 27 :

Tiết diện của ống trơn ỉ27 : A = π D

4 = 3.46 × 10 − 4 (m 2 ) Lưu lượng dòng lưu chất chảy qua thiết bị trong 1s

*Nếu Re ≤ 2300 thì hệ số ma sát (Tính mẫu giá trị Q = 1(l/p), delta P = 0.4 cmH2O) f = 64 ℜ =

Hệ số ma sát lý thuyết f lt(Re ≤ 2300) h f = f × L D

*Nếu 2300 ≤ Re ≤ 4000 thì hệ số ma sát ( Tính mẫu giá trị Q = 3.5(l/p), delta P = 0.7 cmH2O) f = 0.3164

Hệ số ma sát lý thuyết f lt(2300 ≤ Re ≤ 4000) h f = f L

*Nếu 4000 ≤ Re ≤ 100000 thì hệ số ma sát ( Tính mẫu giá trị Q = 6(l/p), delta P = 1.1 cmH2O) f = 1

Hệ số ma sát lý thuyếtf lt(4000 ≤ Re ≤ 10000 ) h f = f L

Hệ số ma sát thực nghiệm: f TN = h f ( TN ) × D 2 g

1 , 2 0 , 014 2 = 0 2 Với h f ( TN )=∆ P = 0,1 (cm) = 0,01 (m) Ống trơnՓ27

V Re f lt hf (lt) Log hf (lt) hf

0.25 Đồ thị mối quan hệ giữa tổn thất cột áp và vận tốc đối với ống trơn 27Փ hf (LT) hf (TN)

Hình 5 Đồ thị quan hệ giữa tổn thất cột áp và vận tốc ống trơn 27 Փ

-4.50 -4.00 -3.50 -3.00 -2.50 -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 Đồ thị mối quan hệ giữa log(hf) và log(V) với ống trơn 27Փ lý thuyết thực tế log(V) l o g

Hình 6 Đồ thị quan hệ giữa logV và log hf (LT) và log hf (TN) của ống trơn 27 Փ Ống Փ 27 NHAM :

Tiết diện của ống trơn ỉ27 nhỏm:

4 = 2.83 × 10 − 4 (m 2 ) Lưu lượng dòng lưu chất chảy qua thiết bị trong 1s

*Nếu Re ≤ 2300 thì hệ số ma sát (Tính mẫu giá trị Q = 0.83(l/p), delta P = 0.2 cmH2O) f = 64 ℜ =

Hệ số ma sát lý thuyết f lt(Re ≤ 2300) h f = f × L D

*Nếu 2300 ≤ Re ≤ 4000 thì hệ số ma sát ( Tính mẫu giá trị Q = 2.5(l/p), delta P = 0.7 cmH2O) f = 0.3164

Hệ số ma sát lý thuyếtf lt(2300 ≤ Re ≤ 4000) h f = f L D

Hệ số ma sát lý thuyếtf lt(4000 ≤ Re ≤ 10000 ) h f = f L D

Hệ số ma sát thực nghiệm: f TN = h f ( TN ) × D 2 g

Kết quả và xử lý số liệu: Ống nhámՓ27

V Log V Re f lt hf (lt) Log hf

0.035 Đồ thị mối quan hệ giữa tổn thất cột áp và vận tốc đối với ống nhám 27Փ hf (TN) hf (LT)

Hình 7 Đồ thị quan hệ giữa tổn thất cột áp và vận tốc ống nhám 27 Փ

-4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 Đồ thị mối quan hệ giữa logV và log hf (LT) và log hf (TN) của ống nhám 27Փ log hf (LT) log hf (TN) logV l o g h f

Hình 8 Đồ thị quan hệ giữa logV và log hf (LT) và log hf (TN) của ống nhám 27 Փ

Thí nghiệm 2 : Xác định trở lực cục bộ Đột thu Đột mở

Ta có: lưu lượng Q = 3 (l/p), đột thu bằngP = 2 (cmH2O) = 0,02 (mH2O)

- Diện tích mặt cắt của ống dẫn:

Bảng 3.22 Kết quả xử lý số liệu đột thu

(cmH2O) ΔP (mH2O) V (m/s) Pđ (Pa) k hm (m)

1.25 Đồ thị quan hệ giữa lưu lượng và hệ số trở lực cục bộ đột thu

Nhận xét : Khi vận tốc dòng chảy tăng thì hệ số cục bổ giảm Khi lưu lượng đến 7(L/p) tăng dần lên

Ta có: lưu lượng Q = 3 (l/p), đột thu bằngP = 0,4 (cmH2O) = 0,004 (mH2O)

- Diện tích mặt cắt của ống dẫn:

Hệ số trở lực cục bộ k = ∆ P

Bảng 3.23 Kết quả xử lý số liệu đột mở

(cmH2O) ΔP (mH2O) V (m/s) Pđ (Pa) k hm (m)

4,500 Đồ thị quan hệ giữa lưu lượng và hệ số trở lực cục bộ mở

Nhận xét : Khi vận tốc dòng chảy tăng thì hệ số trở lực cục bộ giảm đều Khi lưu lượng tới 9(L/p) thì hệ số cục bộ tăng nhẹ

Thí nghiệm 3: Đo lưu lượng dựa vào độ chênh áp

Các thông số ở nhiệt độ T = 25 o C

Q (l/p) d1(mm) Ống dẫn d2 (mm) Màng chắn ∆ P (cmH2O) ρ (kg/m 3 ) γ = ρ.10

- Lưu lượng dòng chảy:Q TT = 3 ( l p ) = 3 60 10 − 3 = 5.10 − 5 ( m 3 / s )

- Đường kính trong của ống dẫn:d 1 = 0,021 ( m )

- Khối lượng riêng của lưu chất: ρ = 1000 (kg/m 3 ) ở 25 ℃

- Trọng lượng riêng của lưu chất: γ = ρ.10 = 1000 10 = 10000 (N/m 3 )

Q ¿ = C m K √ ∆ P = 0 , 55 2 1 , 094 10 − 5 √ 68 , 6 = 5.10 − 6 ( m 3 / s ) Kết quả xử lí số liệu màng chắn:

(l/p) QTT (m 3 /s) P(cmH2O) P(Pa) Cm V (m/s) QLT (m 3 /s)

0.0003 Đồ thị quan hệ giữa lưu lượng và tổn thất cột áp của màng chắn

Các thông số ở nhiệt độ T = 25 o C

Q (l/p) d1 (mm) Ống dẫn d2(mm) Ventury ∆ P (cmH2O) ρ (kg/m 3 ) γ = ρ.10

- Lưu lượng dòng chảy:Q TT = 3 ( l p ) = 3 60 10 − 3 = 0,00005 ( m 3 / s )

- Đường kính trong của ống dẫn: d 1 = 0,021 ( m )

- Khối lượng riêng của lưu chất: ρ = 1000 (kg/m 3 ) ở 25 ℃

- Trọng lượng riêng của lưu chất: γ = ρ.10 = 1000 10 = 10000 (N/m 3 )

Kết quả xử lí số liệu màng Ventury:

(l/p) QTT (m 3 /s) P(cmH2O) P(Pa) CV V (m/s) QLT (m 3 /s)

0.00018 Đồ thị quan hệ giữa lưu lượng và tổn thất cột áp của màng

Các thông số ở nhiệt độ T = 25 o C

- Độ chênh ápPTT = 0,1 (cmH2O) = 0 , 3

- Lưu lượng dòng chảy:Q TT = 3 ( l p ) = 3 60 10 − 3 = 0 , 00005 ( m 3 / s )

- Tổn thất áp suất lí thuyết:

Kết quả xử lí số liệu ống Pito:

250 Đồ thị quan hệ giữa lưu lượng và tổn thất cột áp của ống Pito ΔP (TT) ΔP (LT)

Chênh lệch giữa lưu lượng thực tế và lưu lượng lý thuyết là khá lớn Mức chênh lệch cột áp tỷ lệ thuận với sự khác biệt về lưu lượng Đồng thời, áp suất chênh lệch cũng tỷ lệ thuận với hệ số trở lực.