Báo cáo thí nghiệm quá trình và thiết bị MẠCH LƯU CHẤT

BÀI 1: MẠCH LƯU CHẤTKhảo sát sự chảy của nước ở phòng thí nghiệm cùng với 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

Mục Lục

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM: 2

II PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: 2

III LÍ THUYẾT THÍ NGHIỆM 2

1 Lưu lượng kế màng chắn và Venturi 2

2 Tổn thất năng lượng do sự chảy của ống dẫn 3

IV THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM: 5

V PHÚC TRÌNH 6

5.1 Kết quả số liệu thí nghiệm 6

5.2 Tính hệ số màng chắn và Venturi 8

5.3 Tính thừa số ma sát trong ống dẫn 9

5.4 Tính chiều dài tương đương của van: 11

5.5 Đồ thị 12

5.6 Bàn luận 13

VI TÀI LIỆU THAM KHẢO: 14

BÀI 1: MẠCH LƯU CHẤT

Khảo sát sự chảy của nước ở phòng thí nghiệm cùng với 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 nhằm xác định:

 Thí nghiệm 1: Trắc định hệ số lưu lượng kế màng chắn C m và Venturi CV theo chế độ chảy ( Re )

 Thí nghiệm 2: Hệ số ma sát f theo chế độ chảy ( Re ) cho ống dẫn

 Thí nghiệm 3: Đặc tuyến van, xác định chiều dài tương đương (Ltđ )

Thí nghiệm 1: Cho dòng chảy lưu chất qua thiết bị có gắn lưu lượng kế màng chắn

và Venturi Đọc tổn thất cột áp ứng với từng lưu lượng dòng chảy và từng lưu lượng kế

Thí nghiệm 2: Cho dòng chảy lưu chất qua màng ống và lần lượt qua ống Chỉnh van để lần lượt thay đổi lưu lượng dòng chảy, đọc tổn thất cột áp của màng chắn và ống Lặp lại thí nghiệm với từng ống có đướng kính khác nhau

Thí nghiệm 3: Cho dòng chảy lưu chất qua màng chắn và van Ứng với từng độ

mở của van, đọc tổn thất cột áp qua màng và van

III LÍ THUYẾT THÍ NGHIỆM

1 Lưu lượng kế màng chắn và Venturi

Nguyên tắc của hai dụng cụ này là đo lưu lượng dựa trên cơ sở của sự chênh lệch

áp suất do có sự giảm tiết diện đột ngột của dòng lưu chất khi chảy qua chúng

Hai dụng cụ này có cấu tạo như nhau:

Vận tốc trung bình được tính từ công thức tổng kê năng lượng:

C: Hệ số màng chắn và Venturi, phụ thuộc vào chế độ chảy (Re)

∆P: Độ giảm áp suất qua màng chắn hay Venturi, N/m2

Β= d2 / d1 , tỉ số đường kính cổ Venturi hay đường kính lỗ màng chắn trên đường kính Gia tốc trọng trường g=9,81 m/s2

Do đó lưu lượng qua màng chắn hay Venturi: Q = V2A2 = V1A1

2 Tổn thất năng lƣợng do sự chảy của ống dẫn

Khi lưu chất chảy trong ống, có sự mất mát năng lượng do ma sát ở thành ống Xét trường hợp ống tròn đều nằm ngang

Phương trình Bernoulli cho ta:

0 2

) ( )

















f H Z g

V g



Vì 0

2

) ( 2 



g V



va Z 0

g

P f

H



) (





Hf: thủy dầu tồn thất ma sát trong ống, m

Tổn thất năng lượng này liên hệ với thừa số ma sát bằng phương trình

Darceyweisbach:

Hf f LvgD2

2 Trong đó:

L: chiều dài ống, m

D: Đường kính ống, m

f: hệ số ma sát, vô thứ nguyên

a)Trong chế độ chảy tầng:

Tổn thất ma sát được tính theo công thức sau:





2

32

gD

V f

Hệ số ma sát f có thể tính theo công thức của Hagen – Poiseuille:

Re

64

64 







DV f

b)Đối với sự chả rối:

Hệ số ma sát f tùy thuộc vào Re và độ nhám tương đối của ống ( )

D

 Độ nhám tương đối của ống là tỉ số giữa độ nhám thành ε 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 tiện người ta sử dung giản đồ f theo Re và ( )

D

 ( giản đồ Moody)

Ngoài sự mất mát năng do ma sát trong ống dẫn nói trên, ta còn có sự mất mát năng lượng do trở lực cục bộ, ví dụ: do sự thay đổi tiết diện chảy, hay do sự thay đổi tiết diện van

Trong trường hợp này ta có công thức tính trở lực cục bộ như sau:

gD

v f

P cb td

2

2





 (1)

Với td : chiều dài tương đương của cút , van,… Chiều dài tương đương được định nghĩa như chiều dài của một đoạn 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 để thắng trở lực do bộ phận ta đang xét gây ra:

g

v

P cb

2

2





 (2)

So sánh hai vế của công thức (1) và (2) ta có:

D

f td



Từ đó ta có:

f

D

td







-Một hệ thống ống dẫn và van có kích thước khác nhau, lắp đặt như trong tài liệu hướng dẫn

-Bơm

-Đồng hồ đo

-Số liệu kích thước 4 ống dẫn bằng inox:

Loại ống Đường kính ngoài (mm) Đường kính trong (mm)

Độ nhám e = 0.000005

Màng chắn : lối vào : 40 mm đường kính trong: 17 mm

Venturi : lối vào : 40 mm đường kính trong: 17 mm

5.1 Kết quả số liệu thí nghiệm

Thí nghiệm 1:

STT

Chế

độ

mở

W (lit) t (s) ∆p m

(cm H 2 O)

∆p v (cm H 2 O) ∆p m (N/m 2 ) ∆p v (N/m 2 )

Thí nghiệm 2:

Ống A

STT Chế độ mở ∆p m

(cm H 2 O)

∆p v (cm H 2 O)

∆p ống A (cm H 2 O) (N/m ∆p m 2 ) ∆p v

(N/m 2 )

Ống B

STT Chế độ mở ∆p m

(cm H 2 O)

∆p v (cm H 2 O)

∆p ống A (cm H 2 O)

∆p m (N/m 2 )

∆p v (N/m 2 )

Ống C

STT Chế độ mở ∆p m

(cm H 2 O)

∆p v (cm H 2 O)

∆p ống A (cm H 2 O)

∆p m (N/m 2 )

∆p v (N/m 2 )

Ống D

STT Chế độ mở ∆p m

(cm H 2 O)

∆p v (cm H 2 O)

∆p ống A (cm H 2 O)

∆p m (N/m 2 )

∆p v (N/m 2 )

Thí nghiệm 3: Van 6 mở hoàn toàn

STT

Chế

độ mở

van 5

∆p m (cm H 2 O)

∆p v (cm H 2 O)

∆p van

(cm H 2 O)

∆p m

(N/m 2 )

∆p v (N/m 2 )

∆p van (N/m 2 )

5.2 Tính hệ số màng chắn và Venturi

Ở nhiệt độ 30oC

- Khối lượng riêng của nước: = 996.5 kg/m3

- Độ nhớt của nước: μ = 0.7978*10-3 N.s/m2

- Gia tốc trọng trường: g = 9,81 m/s2

- Trọng lượng riêng của nước: γ = ρ.g = 996.5*9.81 = 9775.67 N/m3

Công thức tính lưu lượng: , lít/s

- Ta có: .98.100

g

P g











, cmH2O

- Ta có: .98.100

g

P g

P v v











, cmH2O

- Vận tốc qua màng chắn và venturi: V = 4 2

d

Q

 , m/s (với d = 17 mm: đường kính lỗ của venturi và màng chắn)

- Công thức tính chuẩn số Reynolds: Re =



Vd

- Hệ số của màng chắn:

Cm = V

Pm

g



2

) 1 ( 4



- Hệ số của venturi:

Cv = V

Pv

g



2

) 1 ( 4



Tỉ số giữa đường kính cổ venturi hay lỗ màng chắn trên đường kính ống:

=17/40 = 0.425

5.3 Tính thừa số ma sát trong ống dẫn

 Ống A:

Dùng số liệu ở thí nghiệm 2 ta thực hiện các phép tính sau:

Vận tốc: V = 4 2

d

Q

 , cm/s ( với d=29mm: đường kính trong của ống A)

Thừa số ma sát trong ống A: f =

g

P





2

2

LV

gd

( với L=1.5m: chiều dài của ống A)

Tính tương tự như trên cho các độ mở khác nhau của ống A ta được kết quả thể hiện trong bảng số liệu sau:

Độ mở W

(lit) t (s)

Q (lit/s)

(cm H 2 O)

(cm H 2 O)

HT 40 84 0.476 30.0951 19.0602 44570 0.850 1.068

¾ 40 86 0.465 28.0887 18.0571 43534 0.859 1.071

½ 40 94 0.426 24.0761 16.0507 39829 0.849 1.040

¼ 40 246 0.163 4.0127 2.5079 15219 0.794 1.005

Độ

mở

(cm H 2 O)

(cm H 2 O)

(cm H 2 O)

Q (lit/s) V

(m/s)

Chế độ

P





( cm H 2 O)

g

P m





( cm H 2 O) Q (lít/s) V(cm/s) f Re

Thực hiện phép tính tương tự như tính cho ống A với việc sử dụng số liệu đo được cho từng ống B, C, D trong thí nghiệm 2 và đường kính trong ống B,C, D lần lượt là: 22mm, 17mm, 13.5mm, chiều dài ống B, C, D là 1.5m thì ta tính được kết quả như sau:

 Ống B:

Chế độ

P





( cm H 2 O)

g

Pm





( cm H 2 O) Q (lít/s) V(cm/s) f Re

 Ống C:

Chế độ

P





( cm H 2 O)

g

Pm





( cm H 2 O) Q (lít/s) V(cm/s) f Re

 Ống D:

Chế độ

P





( cm H 2 O)

g

Pm





( cm H 2 O) Q (lít/s) V(cm/s) f Re

5.4 Tính chiều dài tương đương của van:

Vân tốc: V = 4 2

d

Q

 , cm/s ( với d=40mm: đường kính trong của ống)

Thừa số ma sát trong ống A: f =

g

P





2

2

LV

gd

( với L=1.5m: chiều dài của ống )

Chuẩn số Reynolds : Re =



Vd

Chiều dài tương đương là: le =

f d



( với = 0.04 ứng với trường hợp ống mở hoàn toàn, d= 40mm: đường kính ống )

Dùng số liệu đo được trong thí nghiêm 3 và trở lực theo độ mở của van khi van 5 mở ¾ ;

½ ¼ lần lượt là: =0,26; =2,06,  =17 rồi thực hiện tính toán tương tự như trên cho các

độ mở khác nhau của van 5 , kết quả tính toán thu được thể hiện trong bảng sau:

Độ

Pvan





( cm H 2 O)

g

Pm





( cm H 2 O)

Q (lít) V (cm/s) f Re l e

HT 6.521 24.076 0.4091 61.96 0.0196 0.0300 22444 0.053

¾ 11.035 23.073 0.3932 59.56 0.0181 0.0549 21574 0.189

½ 21.568 22.571 0.3853 58.36 0.0174 0.1118 21139 0.737

¼ 87.777 19.562 0.357 54.08 0.0149 0.5300 19589 1.283

5.5 Đồ thị

3.1 Lưu lượng Q đối với hiệu số thủy dầu áp suất và qua màng chắn và ống venturi

3.2 Hệ số lưu lượng kế Cm và Cv theo Re

0.000

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

H 2

Q, lit/s

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

Hệ số Re

Cm theo Re

Cv theo Re

3.3 Thừa số ma sát theo Re

5.6 Bàn luận

Nhận xét các giản đồ và so sánh kết quả

a) Thí nghiệm 1:

So sánh Cm và Cv :

- Ta có:

- Hệ số của màng chắn:

Cm = V

Pm

g



2

) 1 ( 4



- Hệ số của venturi:

Cv = V

Pv

g



2

) 1 ( 4



0.00000

0.02000

0.04000

0.06000

0.08000

0.10000

0.12000

Hệ số Re

Ống A Ống B Ống C Ống D

Theo lý thuyết, với đường kính lỗ và đường kính màng bằng nhau nên Vqua màng chắn và venturi bằng nhau và β của màng chắn và venturi 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 venture => Cm < Cv

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

Giản đồ biểu diễn Q với hiệu số thủy dầu áp suất

và

qua ống venturi và màng

chắn:

+ Độ chênh lệch áp suất tăng ứng với một giá trị Q, thì tổn thất năng lượng qua màng lớn hơn qua venturi

- Sự phụ thuộc của Cm và Cv theo Re: Re tăng kéo theo ∆P 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 venture: 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

b) Thí nghiệm 3:

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

[1] Lê Song Giang – Nguyễn Thị Phương,“ Cơ lưu chất “

[2] Trần Hùng Dũng – Nguyễn Văn Lục – Vũ Bá Minh – Hoàng Minh Nam,”Các

quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất và thực phẩm”,tập 1 “ các quá trình cơ học”,quyển 2, Nhà xuất bản đại học quốc gia TPHCM

[3] http://www.doidonvi.com/don-vi-do-luong/Ap-suat.aspx

VII PHỤ LỤC