Báo cáo thực hành quá trình và thiết bị công nghệ bài 1 mạch lưu chất

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 n

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BÁO CÁO THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ

Mã môn học: 602047

Bài 1 MẠCH LƯU CHẤT

Nhóm: 02 – 04 Ngày thực hành: 08/11/2019

Năm học 2019 – 2020

MỤC LỤC

I TRÍCH YẾU 3

1 Mục đích thí nghiệm: 3

2 Nội dung thí nghiệm: 3

3 Yêu cầu thí nghiệm: 3

II THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 3

1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm: 3

2 Dụng cụ thí nghiệm: 4

3 Phương pháp thí nghiệm: 4

3.1 Trắc định lưu lượng kế màng chắn và Venturi: 4

3.2 Thiết lập giản đồ f theo Re cho ống A, B, C, D và van số 5 4

III SỐ LIỆU VÀ XỬ LÍ SỐ LIỆU 5

1 Kết quả – số liệu thô: 5

1.1 Thí nghiệm 1: 5

1.2 Thí nghiệm 2: 5

1.3 Thí nghiệm 3: 7

2 Xử lý số liệu và vẽ đồ thị: 7

2.1 Thí nghiệm 1: 7

2.2 Thí nghiệm 2: 9

2.3 Thí nghiệm 3: 12

IV Bàn luận 15

DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Kích thước các loại ống 4

Bảng 2 Trở lực theo độ mở của van 5

Bảng 3 Số liệu thô thí nghiệm 1 5

Bảng 4 Số liệu thô ống A 6

Bảng 5 Số liệu thô ống B 6

Bảng 6 Số liệu thô ống C 6

Bảng 7 Số liệu thô ống D 6 Bảng 8 Số liệu thô thí nghiệm 3 7 Bảng 9 Hệ số màng chắn và Venturi: 8

I TRÍCH YẾU

1 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

2 Nội dung thí nghiệm:

- Đo lưu lượng bằng màng chắn và Venturi

- Thiết lập giản đồ f theo Re cho ống A, B, C, D và van số 5 theo từng độ mở của van

3 Yêu cầu thí nghiệm:

Xác định độ chênh lệch áp suất ở màng chắn, màng Venturi

Xác định các thông số độ giảm áp của ống A, B, C, D khi k = 0,9 m và độ giảm áp của màng chắn

Xác định thông số của van số 5: độ giảm áp của màng chắn và van

Vẽ các giản đồ:

- Lưu lượng Q đối với tổn thất áp suất qua màng chắn và ống Venturi

- Hệ số lưu lượng kế Cm và Cv theo Re

- Thừa số ma sát theo Re

- Lưu lượng Q theo độ mở của van ở một vài áp suất

- Đặc tuyến riêng và đặc tuyến van gắn vào mạng ống này

II THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm:

Hình II.1 Sơ đồ thí nghiệm.

2 Dụng cụ thí nghiệm:

- Đồng hồ để tính thời gian

- Số liệu kích thước 4 ống dẫn bằng inox

Bảng 1 Kích thước các loại ống.

(mm)

Đường kính trong

(mm)

- Độ nhám: e = 0,000005

- Màng chắn: lối vào: 40 mm đường kính lỗ: 17 mm

- Venturi: lối vào: 40 mm đường kính cỗ: 17 mm

3 Phương pháp thí nghiệm:

Độ mở van 8 luôn để cố định

3.1 Trắc định lưu lượng kế màng chắn và Venturi:

Mở van 9 cho nước vào bình đến vạch tối đa

Mở hoàn toàn van 4, 5 đóng van 6, 7 mở van ở 2 nhánh áp kế của màng chắn và Venturi

Cho bơm chạy và từ từ mở van 6 sau đó khóa lại và kiểm tra mức nước trong cột

áp kế màng chắn và Venturi có bằng nhau chưa, nếu chưa tiến hành lại bước bước

trước Khi mức chất lỏng trong cột áp của màng chắn hay Venturi đã bằng nhau,

ta tiến hành làm thí nghiệm

Chọn lưu lượng nước tùy ý, từ từ mở van 7, ứng với mỗi độ mở van 7 với lưu lượng đã chọn đọc cột áp của Venturi và màng chắn, thời gian Khi hết nước trong bình chứa phải đóng van 7, mở van 6, 9 cho nước vào bình chứa

3.2 Thiết lập giản đồ f theo Re cho ống A, B, C, D và van số 5

3.2.1 Cho ống A:

Khóa van 6, 7, mở van 9 cho nước chảy vào đầy bình chứa, mở 2 van ở 2 nhánh

áp kế của ống A Kiểm tra mức nước trong cột áp kế ống A, nếu mức nước bằng nhau thì tiến hành thí nghiệm Dùng van 6 chỉnh lưu lượng Ứng với mỗi độ mở của van 6 đọc độ giảm áp của màng chắn và ống A ở độ dài k = 0,9 m Van 6 chỉnh đến độ mở tối đa

3.2.1 Cho ống B, C, D:

Tương tự thí nghiệm cho ống A, thay vì mở van 4 thì mở van 3 hoặc 2 tùy loại ống

3.2.1 Cho van số 5:

Van 5 để mở hoàn toàn, dùng van 6 chỉnh lưu lượng, ứng với mỗi độ mở của van

6 ta đọc độ giảm áp của mảng và van

Xong thí nghiệm với độ mở hoàn toàn Đóng lại van 5 một vòng ½ sẽ được độ mở

¾ Rồi tiếp tục đo như trên, khi nào mở hết cỡ van 6, lúc đó độ giảm áp của màng

và van không thay đổi, nghĩa là đo độ mở ¾ đã xong Tiếp tục khóa van số 5 một vòng ½ sẽ được độ mở ¼ rồi tiếp tục đo Như vậy ta đã thí nghiệm xong với 4 độ

mở khác nhau của van số 5: mở hoàn toàn, mở ¾, mở ½, và mở ¼

Bảng 1 Trở lực theo độ mở của van.

III SỐ LIỆU VÀ XỬ LÍ SỐ LIỆU

1 Kết quả – số liệu thô:

1.1 Thí nghiệm 1:

Bảng 1 Số liệu thô thí nghiệm 1.

mở W (L) t (s) ∆P m (cm H 2 O) ∆P v (cm H 2 O)

2 3/4 10 29,37 14,3 9,5

1.2 Thí nghiệm 2:

1.2.1 Ống A:

Bảng 1 Số liệu thô ống A.

Chế độ mở ∆P m theo ống A ∆P theo ống A

1.2.1 Ống B:

Bảng 1 Số liệu thô ống B.

Chế độ mở ∆P m theo ống B ∆P theo ống B

1.2.1 Ống C:

Bảng 1 Số liệu thô ống C.

Chế độ mở ∆P m theo ống C ∆P theo ống C

1.2.1 Ống D

Bảng 1 Số liệu thô ống D.

Chế độ mở ΔPm theo ống D ΔP theo ống D

¼ 0,9 5,1

1.3 Thí nghiệm 3:

Bảng 1 Số liệu thô thí nghiệm 3.

Van 5 Van 6 ∆P m (cm H 2 O) ∆P van (cm H 2 O)

HT

3/4

1/2

1/4

2 Xử lý số liệu và vẽ đồ thị:

2.1 Thí nghiệm 1:

- Khối lượng riêng của nước: ρ = 996 kg/m3

- Độ nhớt của nước: μ = 0,0008 N.s/m2

- Trọng lượng riêng của nước: γ = ρ.g = 996 × 9,81 = 9770,76 N/m3

- 1 cmH2O = 98,1 N/m2

- Đường kính màng chắn, Venturi: d1 = 0,040 m, d2 = 0,017 m

Xét trường hợp chế độ mở hoàn toàn:

Tỷ số giữa đường kính cổ Venturi hay đường kính lỗ màng chắn trên đường kính ống:

β=d2

d1=17

40=0,425

Tính lưu lượng qua màng chắn hay Venturi:

t = 10

29 ,1 =0,344 L/s

Ta có:

∆ P m

ρg =∆ P m × 98 ,1

ρg ×100=14 , 4 × 98 ,1

996 × 9 , 81 ×100 =14,458 cm H2O

∆ P v

ρg =∆ P v × 98 ,1

ρg ×100=9 ,50 × 98 ,1

996 × 9 , 81 ×100 =9,538 cm H2O

Vận tốc qua màng chắn và Venturi:

V=

4 Q 1000

π( d

1000)2=

4 ×0,344

1000

3 ,14 ×( 17

1000)2

=1,515 m/s

Chuẩn số Reynold:

ℜ=ρVd

μ =996 ×1 ,15 ×0,017

0,0008 =31900

Hệ số màng chắn:

C m =V√γ (1−β4

)

2 g ∆ P m =1,515×√ 9770 ,76 ×(1−(17

40)4

2× 9 , 81×14 , 4 × 98 ,1=0,885

Hệ số Venturi:

C v =V√γ(1−β4)

2 g ∆ P v =1,515×√ 9770 ,76 ×(1−(17

40)4

2× 9 , 81× 9 ,50 × 98 ,1=1,089

Tính toán tương tự như chế độ mở hoàn toàn, ta thu được bảng số liệu như sau:

Bảng 1 Hệ số màng chắn và Venturi:

Chế

độ

mở

W (L) t (s) Q (L/s) ΔP m /ρg

(cmH 2 O)

ΔP v /ρg (cmH 2 O) Re C m C v

0.25 0.26 0.27 0.28 0.29 0.30 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 4 6

8

10

12

14

16

f(x) = 50.9829715749546 x − 7.85092992856668 R² = 0.995104107061037

f(x) = 80.1788886861013 x − 12.8699661869849 R² = 0.988034762168785

Đồ thị ΔP/ρg = f(Q)

ΔPm/ρg Linear (ΔPm/ρg) ΔPv/ρg Linear (ΔPv/ρg)

Q, L/s

24000 25000 26000 27000 28000 29000 30000 31000 32000 33000 34000 0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

1.05

1.10

1.15

Đồ thị C = f(Re)

Cm Linear (Cm) Cv Linear (Cv)

Re

2.2 Thí nghiệm 2:

Xét ví dụ với ống A: d = 0,029 m

Với chế độ mở van hoàn toàn:

∆ P m

ρg =∆ P m × 98 ,1

ρg ×100=6 , 0 × 98 ,1

996 × 9 , 81 ×100 =6,018 cm H2O

∆ P A

ρg =∆ P A × 98 ,1

ρg ×100=0 , 4 × 98 ,1

996 × 9 , 81 ×100 =0,401cm H2O

Dựa vào giản đồ của ta được phương trình sau:

∆ P m

ρg =80,179Q−12.87

Thay giá trị ΔPm vào phương trình trên ta thu được các giá trị của Q:

Q=6,018+12,87

80,179 =0,236 L/s

Vận tốc dòng:

V=

4 × Q

1000

π d2 =

4 ×0,236

1000

π × 0,0292=0,357 m/s

Chuẩn số Reynolds:

ℜ=Vρd

μ =0,357 × 996 ×0,029

0,000804 =12883,267

Thừa số ma sát trong ống A:

f= 2 gd

L tđ V2×

∆ P A

ρg =2× 9 , 81× 0,029 × 0,401

0.9 × 0,3572×100 =0,020

(với L = 0.9 m: chiều dài của ống)

Tương tự như vậy ta tính được với các chế độ mở khác của van theo ống A và theo các ống B (d = 22 mm), ống C (d = 17 mm) và ống D (d = 13,5mm)

2.2.1 Ống A:

Chế độ

mở

ΔP m /ρg (cmH 2 O)

ΔP A /ρg

9,000 9,500 10,000 10,500 11,000 11,500 12,000 12,500 13,000 0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

Đồ thị f = f(Re) của ống A

Re

2.2.1 Ống B:

Chế độ

mở

ΔP m /ρg

(cmH 2 O)

ΔP B /ρg

9,000 9,500 10,000 10,500 11,000 11,500 12,000 12,500 13,000 0.005

0.025

0.045

0.065

0.085

0.105

0.125

0.145

Đồ thị f = f(Re) của ống B

Re

2.2.1 Ống C:

mở (cmH 2 O) (cmH 2 O)

14000 14500 15000 15500 16000 16500 17000 17500 18000 18500 19000 0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0.035

0.040

0.045

0.050

Đồ thị f = f(Re) của ống C

Re

2.2.1 Ống D:

Chế độ

mở

ΔP m /ρg

(cmH 2 O)

ΔP D /ρg

18000 18500 19000 19500 20000 20500 0.015

0.017

0.019

0.021

0.023

0.025

0.027

0.029

Đồ thị f = f(Re) của ống D

Re

2.3 Thí nghiệm 3:

Xét trường hợp mở hoàn toàn van 5:

Dựa vào đồ thị ΔP m /ρg = f(Q), ngoại suy tuyến tính ta xác định được:

Q=0,0124∆ P m

ρg +0,1605=0,0124 6 × 98 ,1

996 × 9 , 81 +0,1605=0,235 L/s

Vận tốc qua màng chắn và venturi:

V=

4 Q

1000

π( d

1000)2=

4 × 0,235

1000

π( 29

1000)2=0,356 m/s

V2

2 g= 0,3562

2× 9 , 81=0,006

Chuẩn số Reynold:

ℜ=ρVd

μ =996 ×0,356 ×0,029

0,0008 =12856,317

Dựa vào giản đồ hệ số ma sát của f theo Re, ngoại suy tuyến tính ta có:

f =−5×10−6× Fe +0,0724=−5×10−6×12856,317+0,0724=0,008

Chiều dài ống:

l e=ξd

f =0 , 04 × 0,029

0,008 =0,145

ξ ξ ≈ d của 0,26 2,06 17

ống Tương tự áp dụng cách tính cho độ mở van ¾, ½ và ¼ ta có bảng số liệu sau:

Van

5

Van

6

ΔP m /ρg (cmH 2 O)

ΔP v /ρg (cmH 2 O) Q (L/s) V (m/s) v

2 /2g f Re l e

HT

HT 6.024 2.108 0.235 0.356 0.006 0.008 12856.317 0.143

¾ 5.924 2.108 0.234 0.354 0.006 0.008 12788.264 0.137

½ 4.819 1.807 0.220 0.333 0.006 0.012 12039.687 0.095

¼ 1.104 0.703 0.174 0.264 0.004 0.025 9521.746 0.047

¾

HT 5.823 2.410 0.233 0.352 0.006 0.009 12720.212 0.132

¾ 5.723 2.108 0.231 0.350 0.006 0.009 12652.159 0.127

½ 4.418 1.707 0.215 0.326 0.005 0.014 11767.477 0.086

¼ 0.602 0.502 0.168 0.254 0.003 0.026 9181.484 0.044

½

HT 5.622 4.719 0.230 0.349 0.006 0.009 12584.107 0.122

¾ 5.221 4.418 0.225 0.341 0.006 0.011 12311.897 0.107

½ 4.016 3.514 0.210 0.318 0.005 0.015 11495.268 0.078

¼ 1.205 0.703 0.175 0.266 0.004 0.024 9589.799 0.047

¼

HT 4.016 35.040 0.210 0.318 0.005 0.015 11495.268 0.078

¾ 3.916 32.831 0.209 0.316 0.005 0.015 11427.215 0.076

½ 3.112 26.205 0.199 0.301 0.005 0.018 10882.795 0.064

¼ 0.803 6.426 0.170 0.258 0.003 0.026 9317.589 0.045

0.160 0.660 1.160 1.660 2.160 2.660 3.160 3.660 4.160 4.660 5.160 0.150

0.160

0.170

0.180

0.190

0.200

0.210

0.220

0.230

0.240

f(x) = − 0.000280401 x³ + 0.00353305 x² + 0.00187027 x + 0.17249555f(x) = 0.0419681223556816 ln(x) + 0.196590701178392f(x) = 0.0538528316352704 ln(x) + 0.192812387821393

Độ mở van 5 ở một vài áp suất

"Mở 3/4" Logarithmic ("Mở 3/4")

∆𝑷van (cmH2O)

2.3.1 Đặc tuyến riêng và đặc tuyến van gắn vào mạng ống này:

Từ đồ thị ta tìm được các phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa Q và ΔPv của từng độ mở của van

- Mở hoàn toàn:

y =0,0539 ln ( x)+0,1928

- Mở ¾:

y =0 ,042 ln ( x)+0 ,19 66

- Mở ½:

y =−0,0003 x3

+0,0035 x2

+0,0019 x+0 ,1725

Chọn ΔPvan = 2,06 cmH2O

Thế vào các phương trình trên ta có bảng số liệu:

(L/s)

Q/Q max

HT 0,232 1

¾ 0,227 0,98

½ 0,189 0,81

2.3.1 Đồ thị đặc tuyến van:

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Đồ thị đặc tuyến van

Đường 45o Linear (Đường 45o) Đường đặc tuyến Polynomial (Đường đặc tuyến)

Độ mở van

IV Bàn luận

1 Nhận xét:

Hệ số lưu lượng kế Cm và Cv theo chế độ chảy (Re):

- So sánh Cm và Cv:

Ta có:

V =C√ 2 gΔP

γ (1−β4

)

Theo lý thuyết, với đường kính lỗ và đường kính màng bằng nhau nên V2 và β của

2 thiết bị bằng nhau Do đó C tỉ lệ nghịch với ∆P

Màng chắn và Venturi có cấu tạo khác nhau Màng chắn thay đổi kích thước đột ngột hơn nên áp suất lớn hơn Venturi => Cm < Cv

Dựa vào kết quả ta thấy được kết luận Cm < Cv là đúng

- Sự phụ thuộc của Cm và Cv theo Re:

Re tăng kéo theo ∆P tăng nên C tăng hay giảm phụ thuộc vào mức độ tăng nhiều hay ít của Re và ∆P do theo phương trình hệ số lưu lượng tỉ lệ thuận với vận tốc dòng chảy và tỉ lệ nghịch với ∆P

- So sánh lưu lượng kế màng và Venturi:

Từ kết quả thí nghiệm ta nhận thấy ∆Pm > ∆Pv do đó nên sử dụng lưu lượng kế Venturi sẽ cho kết quả chính xác hơn

- Giản đồ Q theo độ mở của van:

Ta nhận thấy lưu lượng thay đổi theo độ mở của van

- Chiều dài tương đương:

Chiều dài tương đương càng bé khi khi độ mở van càng lớn do khả năng cản trở dòng chảy càng nhỏ Từ kết quả thí nghiệm ta nhận thấy chiều dài tương đương nhỏ nhất khi van mở hoàn toàn

2 Các nguyên nhân gây sai số:

- Các giá trị dao động liên động nên kết quả thu được có sai số

- Các ống dẫn có độ ma sát không đồng nhất, bị rỉ sét, đóng cặn Ngoài ra còn

do bị rõ rĩ chất lỏng dọc đường ống nên gây ra tổn thất năng lượng

- Do dùng mắt để đọc các giá trị tổn thất cột áp, độ chênh lệch áp suất nên dẫn đến sai sót

- Độ mở của van có thể bị sai lệch giữa các lần làm thí nghiệm

- Điều kiện ở phòng thí nghiệm có thể không đồng nhất giữa các lần làm thí nghiệm

- Hoạt động của bơm không ổn định

THAM KHẢO

Nguyễn, B (2008). Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm: Tập 2 Hà Nội: Khoa học và kỹ thuật.