báo cáo thí nghiệm quá trình và thiết bị công nghệ sinh học i

Bài 1TỔN THẤT DỌC ĐƯỜNG VÀ TỔN THẤT CỤC BỘ CỦA HỆ THỐNG THỦY LỰCMục đích: Bằng thí nghiệm tính các hệ số tổn thất đột mở và đột thu.CƠ SỞ LÝ THUYẾTTổn thất thủy lực bao gồm tổn thất thủy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

THỰC PHẨM

*******

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

CÔNG NGHỆ SINH HỌC I

Họ và tên: Trần Phương Thảo MSSV: 20190383 Lớp: KTSH 02 – K64

Hà Nội, 6.2022

Bài 1

TỔN THẤT DỌC ĐƯỜNG VÀ TỔN THẤT CỤC BỘ CỦA HỆ THỐNG THỦY LỰC

Mục đích: Bằng thí nghiệm tính các hệ số tổn thất đột mở và đột thu.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổn thất thủy lực bao gồm tổn thất thủy lực dọc đường và tổn thất thủy lực cục bộ Người ta thường dùng công thức Weisbach để tính tổn thất thủy lực cục bộ:

h = c v2

2g

Trong đó:

v − vận tốc trung bình mặt cắt ướt, m/s;

ζ − hệ số tổn thất cục bộ (thường được xác định bằng thực nghiệm, nó phụ thuộc vào số Re và các đặc trưng hình học của vật cản);

g − gia tốc rơi tự do, m/s2

Tổn thất năng lượng cục bộ là phần năng lượng tiêu hao xảy ra tập trung tại một tiết diện hay một vùng trên phạm vi hẹp của dòng chảy để khắc phục trở lực cục bộ (chẳng hạn tại van, khóa, chỗ mở rộng hoặc thu hẹp đột ngột, chỗ uốn cong …)

Xét các trường hợp:

a Tổn thất cột nước cục bộ khi dòng chảy mở rộng đột ngột (đột

mở) từ ống nhỏ ra ống to.

Hình 3 Dòng chảy mở rộng đột ngột

Tổn thất cục bộ trong trường hợp này là tổn thất đột mở hđm được tính theo công thức sau:

h = đm ❑đm v1

2g= ❑đm ' v2

2g

Trong đó:

❑đm=(1−S1

S2)2

, ❑đm '

=(S2

S1−1)2

❑đm , ❑đm

' - hệ số tổn thất cục bộ khi dòng đột mở tính theo vận tốc trung bình mặt cắt trước chỗ mở rộng đột ngột hoặc sau chỗ mở rộng đột ngột

b Tổn thất cột nước cục bộ khi dòng chảy đột ngột thu hẹp (đột thu)

từ ống to vào ống nhỏ.

Hình 4 Dòng chảy thu hẹp đột ngột

Tổn thất cục bộ trong trường hợp này là tổn thất đột thu hđt được tính theo công thức sau:

h = đt ❑đt

v2

2g

Trong đó:

❑đt - hệ số tổn thất cục bộ khi dòng đột thu: ❑đt=0.5(1− S2

S1)

MÔ TẢ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

Thiết bị thí nghiệm được biểu diễn trên hình vẽ 5 Nước được cấp qua van cấp vào bình điều tiết chảy qua ống tổn thất thủy lực dọc đường A

rồi chảy qua ống thí nghiệm tổn thất thủy lực cục bộ 1 và chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli (xem bài thí nghiệm 1) vào bình điều tiết Ở các B

bình điều tiết và mực nước được duy trì ổn định Trên ống thí A B

nghiệm tổn thất thủy lực cục bộ 1 có gắn các ống đo áp I, II, III và IV (thứ tự theo chiều dòng chảy) tương ứng với các mặt cắt đã chọn Đường kính của ống d = d = 2.7cm, d = d = 3,4 cm Dùng van 2 điều chỉnh 1 4 2 3

vận tốc dòng chảy qua ống thí nghiệm tổn thất thủy lực cục bộ 1, trên lưu lượng kế 3 sẽ hiển thị giá trị lưu lượng tương ứng với từng vận tốc của dòng chảy

Hình 5 Ống thí nghiệm tổn thất thủy lực cục bộ

A, B Các bình chứa nước; 1 Ống thí nghiệm tổn thất thủy lực cục bộ;

2 Van điều chỉnh lưu lượng; 3 Lưu lượng kế; I, II, III và IV Các ống

đo áp

TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM

1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tổn thất thủy lực cục bộ của dòng chảy

2 Làm quen với thiết bị thí nghiệm và thiết bị đo

3 Mở van cấp để cấp nước cho các bình điều tiết A và B dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn thí nghiệm thực hành và đợi đến khi các bình được cung cấp đủ nước để có thể tiến hành thí nghiệm

4 Dùng nhiệt kế đo nhiệt độ của nước để xác định hệ số nhớt động học ν tương ứng

5 Mở van 2 để điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống thí nghiệm tổn thất thủy lực cục bộ 1 Ghi lại các giá trị lưu lượng Qi trên lưu lượng kế

3 và cao độ của các ống đo áp I, II, III và IV trên các thước đo

6 Tiến hành thí nghiệm với năm giá trị vận tốc khác nhau

BÁO CÁO KẾT QUẢ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU

0 1,600

0 1,200

0 1,601

0 1,501

0 1,801

Hệ số tổn thất cục bộ:

-Trong trường hợp đột mở:

Thí nghiệm: ❑đm=1144,42

Lý thuyết : ❑đm¿

= 0.3693

-Trong trường hợp đột thu:

Thí nghiệm: ❑đt

TN=990,5

Lý thuyết : ❑ ¿

= 0.1846

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

- Từ bảng giá trị ta thấy tổn thất cục bộ tính theo thí nghiệm ở cả 2 trường hợp đều lớn hơn nhiều so với tính theo lý thuyết

- Có sự sai số chệnh lệch như vậy là do sai số trong xử lý số liệu làm tròn, sai số dụng cụ, sai số thao tác đo, cách đọc giá trị các cột, mực nước ở cột không ổn định

Bài 2

ĐỊNH LUẬT BERNOULLI CHO DÒNG CHẢY

Mục đích: Vẽ đường năng và đường đo áp sau khi xác định các thành phần trong

phương trình Bernoulli bằng thí nghiệm.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Phương trình Bernoulli là phương trình năng lượng viết cho một đơn vị trọng lượng chất lỏng Phương trình Bernoulli đối với toàn dòng chất lỏng thực, không nén được, chuyển động ổn định từ mặt cắt 1-1 đến mặt cắt 2-2 (hình vẽ 1) có dạng:

z1+p1

γ+α1 v1

2g =z2 +p2

γ+α2 v2

2g +h w1−2

Trong đó:

z 1 , z 2 − năng lượng vị trí của dòng chảy ở tâm mặt cắt ướt 1-1 và 2-2 so với mặt chuẩn 0-0 bất kỳ được gọi là vị năng đơn vị hay độ cao hình học.

Hình 1 Sơ đồ dòng chảy qua đoạn ống có kích thước khác nhau

- trọng lượng riêng của chất lỏng

p 1 , p 2 – áp suất tại tâm mặt cắt 1-1 và 2-2.

p1

γ , p2

γ – áp năng của một đơn vị trọng lượng của chất lỏng do áp suất gây ra tại mặt cắt 1-1 và 2-2, gọi là áp năng đơn vị hay độ cao đo áp.

z1+p1

γ , z1+p1

γ – thế năng đơn vị cột áp thủy tĩnh tại mặt cắt 1-1 và 2-2.

1 , 2 – hệ số hiệu chỉnh động năng hay hệ số Coriolis tại mặt cắt 1-1 và 2-2.

v 1 , v 2 – vận tốc trung bình tại mặt cắt 1-1 và 2-2.

α1 v1

2g , α1v1

2g – động năng đơn vị hay độ cao vận tốc tại mặt cắt 1-1 và 2-2.

h w1-2 – tổn thất năng lượng đơn vị trong đoạn dòng chảy từ mặt cắt 1-1 đến 2-2.

MÔ TẢ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

Thiết bị thí nghiệm được biểu diễn trên hình vẽ 2 Nước được cấp qua van cấp vào bình điều tiết và sẽ chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli 1 sang bình điều tiết A B

Ở các bình điều tiết và mực nước được duy trì ổn định Trên ống thí nghiệm A B

Bernoulli 1 có gắn các ống đo áp I, II, III, IV và V tương ứng với 5 mặt cắt đã chọn Đường kính của ống d1 = 2,7 cm; d2 = 2,1 cm Dùng van 2 điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli 1, trên lưu lượng kế 3 sẽ hiển thị giá trị lưu lượng tương ứng với từng vận tốc của dòng chảy.

Hình 2 Sơ đồ ống thí nghiệm Bernoulli

A, B Các bình chứa nước; 1 Ống thí nghiệm Bernoulli;

2 Van điều chỉnh lưu lượng; 3 Lưu lượng kế; I, II, III, IV và V Các ống đo áp.

TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM

1 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về phương trình Bécnuli đối với toàn dòng chất lỏng thực, không nén được, chuyển động ổn định.

2 Làm quen với thiết bị thí nghiệm và thiết bị đo.

3 Mở van cấp để cấp nước cho các bình điều tiết A và dưới sự hướng dẫn của B

giáo viên hướng dẫn thí nghiệm thực hành và đợi đến khi các bình được cung cấp

đủ nước để có thể tiến hành thí nghiệm.

4 Mở van 2 để điều chỉnh vận tốc dòng chảy qua ống thí nghiệm Bernoulli

1 Ghi lại các giá trị lưu lượng Qi trên lưu lượng kế 3 và cao độ của các ống đo

áp I, II, III, IV và V trên các thước đo (tức là giá trị z i + p i /γ)

5 Tiến hành thí nghiệm với năm giá trị vận tốc khác nhau.

2g

z1 + p1/γ V2 α2 v2

2g z2 + p2/γ hw1-2

1 8 1,397 0,0995 17,464 2,309 0,2720 17.512 0,2205

2 10 1,746 0,1555 17,020 2,887 0,4252 18,808 2,0577

3 6 1,047 0,0559 14,276 1,732 0,1530 15,604 1,4251

2g z3 +p3/γ h w2-3 V4 z4 + p4/γ α4 v4

2g

1 8 1,397 0,0995 16.54 1,1445 2,309 15,836 0,272

2 10 1,746 0,1555 17,02 0,311 2,887 15,916 0,455

3 6 1,047 0,0559 14.048 1,6531 1,732 13.888 0,153

2g z5 +p5/γ h w4-5

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 3

Thí nghiệm khuấy trộn chất lỏng

Khuấy trộn trong môi trường lỏng thường được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hóa chất và thực phẩm để tạo dung dịch huyền phù, nhũ tương, để tăng cường quá trình hòa tan, truyền nhiệt, chuyển khối và quá trình hóa học

Phổ biến hơn cả là khuấy cơ học, có nghĩa là dùng các loại cánh khuấy để khuấy trộn

Tùy theo cấu tạo mà người ta chia ra các loại cánh khuấy sau đây: loại mái chèo, loại chân vịt hay chong chóng, loại tua bin và các loại đặc biệt khác

Đặc trưng của quá trình khuấy là công suất yêu cầu và hiệu suất khuấy trộn Khi cánh khuấy quay thì năng lượng tiêu hao dùng để thắng

ma sát của cánh khuấy với chất lỏng

Ta có thể coi chất lỏng chuyển động trong máy khuấy như là trường hợp đặc biệt của chuyển động chất lỏng Do đó để diễn đạt quá trình khuấy ở chế độ ổn định ta có thể dùng phương trình chuẩn số của chất lỏng chuyển động:

Eu = f (Re, Fr,…) (1)

Ở đây: Eu =

ΔΡ

ρω 2

chuẩn số Ơ - le

Re =

ωdρ

μ

chuẩn số Rây - nôn

Fr =

ω2

gd

Chuẩn số Phơ - rút

- hiệu số áp suất

ρ

- Khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3

ω

- vận tốc chuyển động của dòng, m/s

d - đường kính, m

μ

- độ nhớt, N.s/m2

Đối với thiết bị khuấy trộn thì d là đường kính cánh khuấy, vận tốc chuyển động của chất lỏng được thay bằng số vòng quay của cánh khuấy (ω =π dn), còn hiệu số áp suất thì thay bằng công suất yêu cầu Khi

đó, chuẩn số thủy lực sẽ có dạng sau đây :

Eu = K

Ν

ρn3

d5

; Re = K

ρnd 2 μ

; Fr = K

n d2 g

Ở đây: n – số vòng quay của cánh khuấy, vòng/s

d – đường kính cánh khuấy, m

N – công suất trên trục, W

Eu = f (Re , Fr )K K K

Qua thực nghiệm ta có: Eu = C K

Rem K.Fr K n

(2) Trong đó : C, m, n – những đại lượng được xác định bằng thực nghiệm Chúng phụ thuộc vào kích thước cánh khuấy, mức chất lỏng, dạng thùng khuấy, độ nhẵn của thành thùng và các cơ cấu khác

Nếu trên bề mặt không tạo thành phễu, khi đó cánh khuấy nhúng sâu vào trong chất lỏng nên ảnh hưởng của gia tốc trọng trường có thể

bỏ qua

Ta có :

Ν

ρn3

d5

= C (ρ nd 2

μ )m

(3)

II Mục đích thí nghiệm

1 Làm quen với cấu tạo của máy khuấy và các loại cánh khuấy mái

chèo, chong chóng (chân vịt)

2 Xác định công suất tiêu hao khi khuấy, số vòng quay, thời gian

khuấy trộn

3 Xác định các chuẩn số Ơ - le, Rây - nôn và mối quan hệ giữa

chúng

4 Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ Brix theo thời gian

khuấy

III Sơ đồ thí nghiệm

IV Các bước tiến hành thí nghiệm

1 Kiểm tra hệ thống thiết bị thí nghiệm theo sơ đồ

2 Xem xét các dụng cụ đo: thiết bị đo công suất, chiết quang kế đo nồng độ Brix

3 Đổ 2 lít nước vào thùng, cho 0,2kg đường hoặc muối vào.

4 Chọn số vòng quay của cánh khuấy trên tủ điều khiển

5 Bật máy cho động cơ hoạt động, cánh khuấy quay

6 Bắt đầu tính thời gian khuấy, cứ 1 phút lấy mẫu đo nồng độ Brix một lần (đọc chính xác đến 0,1)

7 Ghi các số liệu vào bảng 1 và bảng 2

8 Đo đến khi nồng độ Bx không đổi thì dừng khuấy Xác định thời gian khuấy

9 Sau khi lấy tất cả các số liệu xong thì tắt máy, làm vệ sinh sạch sẽ chỗ làm thí nghiệm, báo cáo kết quả thí nghiệm với cán bộ hướng dẫn

Số liệu thí nghiệm

Nhiệt độ của nước: t ° H2O=36 ℃;

Đường kính cánh khuấy: d = 5,4 cm;

Khối lượng riêng của nước: ρ=997 kg/m3

Độ nhớt của nước: μ= (N.s/m ) – độ nhớt của dung dịch nước ở 2

36 Co

Bảng 1: Bảng kết quả thí nghiệm

Số

thí

nghi

ệm

Số

vòng

quay

cánh

khuấ

y

Công

suất

N

(W)

EuK lgEuK ReK lgRe

K

g/

phút)

1

2

96

240

6,7

7,4

3573,1 5 252,57

3,55 2,40

5472,5 13681, 2

3,74 4,14

-2,875

14,30 2

1014,30 2

Bảng 2: Kết quả đo nồng độ Brix

* Máy chạy với tốc độ cánh khuấy là 96 vòng/phút:

Thời

gian(

p)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1

0

1 1

1 2

1 3

1 4

1 5

1 6

1 7

1 8

1 9

Bx% 2 5 5 9 1

1

1 2

1 3

1 4

1 3

1 4

1 4

1 4

1 3

1 4

1 5

1 5

1 5

1 5

1 5

* Máy chạy với tốc độ cánh khuấy là 240 vòng/phút:

Thời

gian(

p)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1

0

1 1

1 2

1 3

1 4

1 5

1 6

1 7

1 8

1 9

Bx% 1 3 4 5 7 1

0

1 3

1 4

1 5

1 6

1 6

1 7

1 7

1 7

1 8

1 8

1 8

1 8 1 8

V Tính toán kết quả thực nghiệm, vẽ đồ thị

1 Xác định chuẩn số Ơ - le

Eu = K

Ν

ρn3d5 (4)

N – công suất, W

n – số vòng quay cánh khuấy, vòng/s

d – đường kính cánh khuấy, m

ρ

- Khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3

2 Xác định chuẩn số Rây - nôn

Re = K

ρnd 2 μ

(5)

μ- độ nhớt chất lỏng, N.s/m2

Làm 5 thí nghiệm có các giá trị của Re khác nhau.K

Trên hệ trục lgEu - lgRe qua các điểm ta vẽ đường thẳng Trên cơ sở K K

đường thẳng ta có phương trình :

lgEu = lgC + m.lgRe (6)K K

hay Eu = C K

Rem K

(7) Cần xác định giá trị của m, C trong phương trình (7)

3.7 3.75 3.8 3.85 3.9 3.95 4 4.05 4.1 4.15 4.2

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5 f(x) = − 2.875 x + 14.3025

R² = 1

lg(Rek)

3 Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ Brix theo thời gian khuấy

(với 2 tốc độ cánh khuấy khác nhau) Rút ra nhận xét

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Bx(%) n=96 vòng/phút Bx(%) n=240 vòng/phút

Thời gian t (phút)

Nhận xét: Dựa vào đồ thị ta có thế khẳng định tốc độ đảo trộn càng

nhanh thì độ đồng đều của sản phẩm càng nhanh Tốc độ đảo trộn càng tăng thì càng tăng khả năng độ đồng đều cho sản phẩm càng nhanh =>

Hiệu suất của quá trình khuấy trộn phụ thuộc phần lớn vào thời gian khuấy trộn và tốc độ cánh khuấy

Trong quá trình khuấy trộn có một số điểm độ Bx bị giảm do sai số trong quá trình đọc kết quả của chiết quang kế hoặc lấy mẫu ở những vị trí khác nhau nên có độ Bx khác nhau

Ngoài ra trong quá trình khuấy trô •n, còn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu

tố như:

- Nhiê •t đô •

- Tốc đô • khuấy trô •n

- Bản chất của chất tan

- Bản chất dung môi: đô • nhớt, ví dụ: dung môi loãng dễ khuấy trô •n và ngược lại

- Kết cấu cánh khuấy