THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ MẠCH LƯU CHẤT

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HĨA HỌC  BÁO CÁO THỰC HÀNH Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CƠNG NGHỆ HĨA HỌC BÀI 3: MẠCH LƢU CHẤT Họ tên: Du Đức Hoàng Long MSSV: 14095651 Lớp: DHHO10C Nhóm: Tổ: GVHD: Nguyễn Tiến Đạt Ngày thực hành: 3/11/2017 Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 3, tháng 11, năm 2017 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Tìm hiểu dạng tổn thất áp suất xảy ống dẫn dòng chất lỏng khơng nén chảy qua ống, khớp nối, van hay thiết bị đo dùng mạng ống Xác định mối quan hệ tổn thất áp suất ma sát vận tốc nước chảy bên ống trơn xác định hệ số ma sát 𝑓 Xác định trở lực cục co, van, đột thu, đột mở Xác định hệ số lưu lượng dụng cụ đo (màng chắn, Ventury) ứng dụng việc đo độ chênh áp việc đo lưu lượng vận tôc nước ống dẫn CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Trở lực ma sát Có chế độ tồn 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 với 𝑉𝑛 (hoặc 𝑢𝑛) Khi lưu chất chảy ống có lượng ma sát thành ống Xét trường hợp ống tròn nằm ngang Trở lực ma sát 𝑕𝑓 chất lỏng chống đầy ống tính theo cơng thức sau: 𝐿 𝑉2 𝑕𝑓 = 𝑓 𝐷 2𝑔 Trong đó: 𝑓: hệ số ma sát (khơng có thứ ngun) L: chiều dài ống dẫn, m D: đường kính ống dẫn, m V: vận tốc chuyển động dòng lưu chất, m/s Xác định hệ số ma sát theo chế độ chảy Để xác định chế độ chảy chất lỏng ta dựa vào chuẩn số Reynolds, công thức xác định chuẩn số Re sau: 𝑅𝑒 = 𝑉𝜌𝐷𝑡đ 𝜇 = 𝑉𝐷𝑡đ 𝑣 Trong đó: V: vận tốc chuyển động lưu chất ống (m/s) 𝜌: khối lượng riêng lưu chất, Pa.s (kg/(m.s)) 𝑣: độ nhớt động học lưu chất (m2/s) 𝐷𝑡đ: đường kính tương đương, m Với vận tốc lưu chất xác định sau: 𝑉= Trong đó: 𝑄𝑣 𝐴 𝑄𝑣: lưu lượng dòng chảy ống, m3/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: khơng có ma sát nội ống chất lỏng, hệ số ma sát 𝑓 không phụ thuộc vào độ nhám ống dẫn 𝑓= 64 𝑅𝑒 2300 ≤ Re ≤ 4000 – chế độ chảy độ: hệ số sức cản tăng dần độ nhám ống chưa ảnh hưởng đến giá trị 𝑓 xác định theo công thức Braziut 𝑓= 0,3164 𝑅𝑒0,25 4000 ≤ Re ≤ 100000 – chế độ chảy xoáy ống nhẵn: màng chảy dòng thành ống tương đối dày, phủ kín gờ nhám nên ống nhám coi ống nhẵn xác định theo công thức Ixaep ) 𝑓=( 1,8 log (𝑅𝑒) − 1,5 Re ≥ 100000 – chuyển động xoáy ống nhám: chiều dày màng chảy dòng mỏng sát thành ống, sức cản tượng tạo thành xốy lốc lòng chát lỏng đạt tới giá trị không đổi, không phụ thuộc vào số Re mà phụ thuộc vào độ nhám tương đối n ống xác định công thức Ixaep 2 𝑛 1,11 𝑓 = [− 1,8 log ( ) ] 3,7 𝐷 2.2 Trở lực cục Là trở lực chất lỏng thay đổi hướng chuyển động, thay đổi vận tốc thay đổi hình dáng tiết diện ống dẫn như: đột thu, đột mở, chỗ cong (co), van, khớp nối… Trở lực cục kí hiệu: 𝑕𝑚 có đơn vị m 𝑕𝑚 = 𝑘 Trong đó: 𝑣2 2𝑔 k: hệ số trở lực cục 2.3 Đo lƣu lƣợng theo nguyên tắc chênh áp biến thiên 2.3.1 Lƣu lƣợng kế màng chắn Ventury Màng chắn Ventury hai dụng cụ để đo lưu lượng dựa vào nguyên tắc dòng lưu chất qua tiết diện thu hẹp đột ngột xuất độ chênh áp suất trước sau tiết diện thu hẹp Áp dụng phương trình Bernolli ta có mối liên hệ lượng tổn thất áp suất qua màng chắn, Ventury theo cơng thức: Qv = C[ Trong đó: √ √ 𝑔 ] 𝑄𝑣: lưu lượng dòng chảy ống, m3/s C: hệ số hiệu chỉnh, 𝐶𝑚 cho màng chắn, 𝐶𝑣 cho Ventury 𝐴1: tiết diện ống dẫn, m2 𝐴2: tiết diện thu hẹp đột ngột, m2 𝑃: áp suất, Pa 𝛾: trọng lượng riêng lưu chất, N/m3 2.3.2 Ống Pitot Dùng ống Pitot ta đo áp suất toàn phần 𝑃𝑡𝑝 áp suất tĩnh 𝑃𝑡, từ xác định áp suất động V=√ 𝑃 𝑃 Trong đó:V: vận tốc dòng chảy ống, m/s 𝑃𝑡𝑝: Áp suất tồn phần (áp suất điểm ngưng đọng), Pa 𝑃𝑡: Áp suất tĩnh, Pa THIẾT BỊ Bảng 3.1: Kích thước ống dẫn đồng STT Tên gọi Đƣờng kính ngồi (mm) Đƣờng kính (mm) Ống trơn ∅17 17 10 Ống trơn ∅21 21 15 Ống trơn ∅27 27 21 Ống nhám ∅27 (độ nhám mm) 27 19 Ống dẫn 27 21 Bảng 3.2: Kích màng chắn, ống Ventury, ống dẫn Pitot, đột thu, đột mở co 90 o Đƣờng kính lỗ (mm) Màng chắn Ventury Ống dẫn Pitot Đột thu Đột mở Co 90 16 16 25 10 21 21 THỰC NGHIỆM 4.1 Chuẩn bị thí nghiệm Lưu chất sử dụng thí nghiệm nước - Mở cơng tắc tổng - Kiểm tra nước bồn chứa, nước phải chiếm ¾ bồn, nạp them cần - Mở tất van, bật bơm cho nước vào hệ thống, đợi khoảng 2-3 phút để nước chảy ổn định đuổi hết bọt khí ngồi 4.2 Thí nghiệm 1: Xác định tổn thất ma sát chất lỏng với thành ống 4.2.1 Chuẩn bị Đóng tất van không cần thiết (trừ van điều chỉnh lưu lượng), mở van đường ống khảo sát tổn thất ma sát 4.2.2 Các lƣu ý - Kiểm tra cột nước nhánh áp kế chữ U cho - Trước mở bơm phải kiểm tra hệ thống đường ống đóng mở van - Mở bơm, kiểm tra rò rỉ hệ thống Kiểm tra dâng nước nhánh áp kế, nhánh dâng cao nhanh tắt bơm 4.3 Thí nghiệm 2: Xác định trở lực cục 4.3.1 Chuẩn bị Đóng tất van không cần thiết (trừ van điều chỉnh lưu lượng), mở van đường ống khảo sát (hoặc ống có vị trí trở lực cục bộ) 4.3.2 Các lƣu ý - Kiểm tra cột nước nhánh áp kế chữ U cho - Trước mở bơm phải kiểm tra hệ thống đường ống đóng mở van - Mở bơm, kiểm tra rò rỉ hệ thống Kiểm tra dâng nước nhánh áp kế, nhánh dâng cao nhanh tắt bơm - Khi kết thúc thí nghiệm mở hồn tồn van số 4.4 Thí nghiệm 3: Đo lƣu lƣợng dựa vào độ chênh áp 4.4.1 Chuẩn bị Đóng tất van khơng cần thiết (trừ van điều chỉnh lưu lượng), mở van đường ống có vị trí màng chắn, Ventury ống Pito 4.4.2 Lƣu ý - Kiểm tra cột nước nhánh áp kế chữ U cho - Trước mở bơm phải kiểm tra hệ thống đường ống đóng mở van - Mở bơm, kiểm tra rò rỉ hệ thống Kiểm tra dâng nước nhánh áp kế, nhánh dâng cao nhanh tắt bơm 5 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 5.1 Thí nghiệm 5.1.1 Bảng số liệu thực nghiệm Ống ∅17, dtr = 10 mm ∅21, dtr = 15 mm ∅27 trơn, dtr = 21 mm Lƣu lƣợng (l/p) Tổn thất cột áp (mH2O) 0,56 0,6970 0,71 0,7080 1,34 0,6960 1,43 0,6970 1,50 0,6960 1,76 0,6940 4,30 0,7330 6,67 0,7500 0,24 0,0020 0,63 0,0010 1,58 0,0020 1,60 0,0010 1,76 0,0010 1,90 0,0020 2,40 0,0020 4,29 0,0080 8,57 0,0150 12,00 0,0240 1,18 0,0010 1,58 0,0010 1,94 0,0020 2,10 0,0020 3,00 0,0010 ∅27 nhám, dtr = 19 mm 3,16 0,0050 6,67 0,0040 7,50 0,0050 8,60 0,0060 10,00 0,0100 0,0670 0,1400 0,2550 0,4140 10 0,6270 5.1.2 Tính mẫu * Ống ∅27: Với Qv = (l/p), Dtr = 0.019 (m), 𝜌 = 996 (kg/m3 ) ,  = 0,81 x 10^-6 (m2/s), L = 1.2 (m): -Vận tốc lưu chất: V = Qv = A - Chuẩn số Reynolds: Re = 2×10−3 ×4 = 0.1176 (m/s) 60×𝜋×0.0192 VDtđ 0.1176×0.019  = = 2759 0,81x10^-6 => 2300 ≤ Re ≤ 4000: chế độ chảy độ => Hệ số ma sát lý thuyết: f= = = 0,0437 => Tổn thất áp suất lý thuyết: hf = f = 0,0437 = 1,945.10-3 5.1.3 Bảng kết TN1 Ống ∅17, dtr = 10 mm ∅21, dtr = 15 mm Tổn thất áp suất lý thuyết (mH2O) Hệ số ma sát thực tế Hệ số ma sát lý thuyết 0,6970 0,0038 8,0615 0,0436 1861,0259 0,7080 0,0048 5,0942 0,0344 0,2845 3512,3588 0,6960 0,0203 1,4059 0,0411 1,43 0,3036 3748,2635 0,6970 0,0228 1,2363 0,0404 1,50 0,3185 3931,7449 0,6960 0,0248 1,1220 0,0400 1,76 0,3737 4613,2474 0,6940 0,0329 0,8126 0,0385 4,30 0,9130 11271,0021 0,7330 0,1519 0,1438 0,0298 6,67 1,4161 17483,1590 0,7500 0,3257 0,0611 0,0266 0,24 0,0226 419,3861 0,0020 0,0003 0,9564 0,1526 0,63 0,0590 1092,1514 0,0010 0,0008 0,0705 0,0586 1,58 0,1491 2760,9586 0,0020 0,0040 0,0221 0,0436 1,60 0,1510 2795,9075 0,0010 0,0040 0,0108 0,0435 1,76 0,1661 3075,4982 0,0010 0,0048 0,0089 0,0425 1,90 0,1793 3320,1401 0,0020 0,0055 0,0153 0,0417 2,40 0,2265 4193,8612 0,0020 0,0083 0,0096 0,0397 4,29 0,4048 7496,5270 0,0080 0,0223 0,0120 0,0334 8,57 0,8087 14975,5795 0,0150 0,0737 0,0056 0,0276 12,00 1,1323 20969,3062 0,0240 0,1326 0,0046 0,0254 1,18 0,0568 1472,8441 0,0010 0,0004 0,1064 0,0435 1,58 0,0761 1972,1133 0,0010 0,0005 0,0593 0,0325 Lƣu lƣợng Chuẩn số Re (l/p) Vận tốc V (m/s) 0,56 0,1189 1467,8514 0,71 0,1507 1,34 Tổn thất áp suất thực tế (mH2O) ∅27 trơn, dtr = 21 mm ∅27 nhám, dtr = 19 mm 1,94 0,0934 2421,4556 0,0020 0,0011 0,0787 0,0451 2,10 0,1011 2621,1633 0,0020 0,0013 0,0672 0,0442 3,00 0,1444 3744,5190 0,0010 0,0025 0,0165 0,0404 3,16 0,1521 3944,2266 0,0050 0,0027 0,0742 0,0399 6,67 0,3211 8325,3138 0,0040 0,0097 0,0133 0,0324 7,50 0,3611 9361,2974 0,0050 0,0119 0,0132 0,0313 8,60 0,4140 10734,2877 0,0060 0,0151 0,0120 0,0302 10,00 0,4814 12481,7299 0,0100 0,0196 0,0148 0,0290 2,00 0,1176 2759,1192 0,0670 0,0019 1,5043 0,0437 4,00 0,2353 5518,2385 0,1400 0,0065 0,7858 0,0365 6,00 0,3529 8277,3577 0,2550 0,0130 0,6362 0,0324 8,00 0,4705 11036,4769 0,4140 0,0214 0,5810 0,0300 10,00 0,5881 13795,5962 0,6270 0,0314 0,5631 0,0282 5.1.4 Đồ thị  Đồ thị P theo V: 0,8000 0,7000 0,6000 0,5000 0,4000 thực tế 0,3000 lí thuyết 0,2000 0,1000 0,0000 0,0000 0,5000 1,0000 1,5000 Đồ thị 5.1: Mối quan hệ tổn thất cột áp vận tốc lưu chất ống ∅17 0,1400 0,1200 0,1000 0,0800 lí thuyết 0,0600 thực tế 0,0400 0,0200 0,0000 0,0000 0,5000 1,0000 1,5000 Đồ thị 5.2 Mối quan hệ tổn thất cột áp vận tốc lưu chất ống ∅21 0,0250 0,0200 0,0150 lí thuyết thực tế 0,0100 0,0050 0,0000 0,0000 0,1000 0,2000 0,3000 0,4000 0,5000 0,6000 Đồ thị 5.3 Mối quan hệ tổn thất cột áp vận tốc lưu chất ống ∅27 trơn 10 0,7000 0,6000 0,5000 0,4000 lí thuyết log P 0,3000 thực tế 0,2000 0,1000 0,0000 0,0000 0,1000 0,2000 0,3000 0,4000 0,5000 0,6000 0,7000 Đồ thị 5.4 Mối quan hệ tổn thất cột áp vận tốc lưu chất ống ∅27 nhám  Đồ thị log P theo log V: 0,0000 -1,0000 -0,8000 -0,6000 -0,4000 -0,2000 0,0000 0,2000 0,4000 y = 1,829x - 0,7307 R² = 0,9956 -0,5000 log P -1,0000 -1,5000 y = 0,0283x - 0,1368 R² = 0,6469 lí thuyết thực tế -2,0000 -2,5000 log V -3,0000 Đồ thị 5.5: Mối quan hệ log P theo log V ống Ø17 Dựa vào đồ thị, ta thấy: n thực tế = 1.829 n lý thuyết = 0,0283 11 -2,0000 -1,5000 -1,0000 0,0000 -0,5000 0,0000 -0,5000 0,5000 -1,0000 -1,5000 lí thuyết -2,0000 thực tế -2,5000 -3,0000 -3,5000 -4,0000 Đồ thị 5.6: Mối quan hệ log P theo log V ống Ø21 -1,5000 -1,0000 -0,5000 0,0000 0,0000 -0,5000 -1,0000 log P -1,5000 y = 0,9516x - 1,8308 R² = 0,7585 -2,0000 -2,5000 lí thuyết thực tế -3,0000 -3,5000 -4,0000 log V Đồ thị 5.7: Mối quan hệ log P theo log V ống Ø27 trơn 12 -1,0000 -0,8000 -0,6000 -0,4000 0,0000 -0,2000 0,0000 -0,5000 -1,0000 lí thuyết -1,5000 thực tế -2,0000 -2,5000 -3,0000 Đồ thị 5.8: Mối quan hệ log P theo log V ống Ø27 nhám 5.1.5 Nhận xét - Tổn thất cột áp tỷ lệ thuận với vận tốc lưu lượng dòng chảy ống - Hệ số ma sát thực nghiệm lớn hệ số ma sát lý thuyết 5.2 Thí nghiệm 5.2.1 Bảng số liệu thực nghiệm Q Q