Mạch lưu chất Thực tập quá trình và thiết bị

CBHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Quá trình thiết bị BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ  PHÚC TRÌNH THỰC TẬP CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC MẠCH LƯU CHẤT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN NHÓM SV THỰC HIỆN: Th.S Thiều Quang Quốc Việt Nguyễn Chí Thành B1706416 Trình Quốc Thắng B1706419 Vương Thị Ngọc Tuyết B1706431 Nguyễn Thị Phương Uyên B1706433 Ngành: CN Kỹ thuật hóa học-Khóa 43 Tháng 6/2020 Nhóm 1.2 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Quá trình thiết bị MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH SÁCH BẢNG ii DANH SÁCH HÌNH iii MỤC ĐÍCH .1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổn thất dọc đường 2.2 Tổn thất cục .2 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 3.1 Tổn thất dọc đường 3.2 Tổn thất cục .10 NHẬN XÉT VÀ BÀN LUẬN 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 Nhóm 1.2 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Quá trình thiết bị DANH SÁCH BẢNG Bảng 1: Kết đo tổn thất dọc đường ống thép không gỉ D=26.64mm Bảng 2: Sự phụ thuộc hệ số hiệu chỉnh lưu lượng vào chuẩn số Re0 tỉ lệ Do/D1 Bảng 3: Kết tính tốn tốn cho ống thép không gỉ D = 26.64mm Bảng 4: Kết đo tổn thất dọc đường ống thép không gỉ D=12.52mm Bảng 5: Sự phụ thuộc hệ số hiệu chỉnh lưu lượng vào chuẩn số Re0 tỉ lệ Do/D1 Bảng 6: Kết tính tốn cho ống thép không gỉ D = 12.52 mm Bảng 7: Kết đo tổn thất cục (theo đơn vị mmH2O) Bảng 8: Kết đo tổn thất cục (N/m2) Bảng 9: Kết tính tốn cho lần đo: Nhóm 1.2 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Quá trình thiết bị DANH SÁCH HÌNH Hình 1: Đồ thị biểu diễn phụ phụ thuộc tổn thất dọc đường theo lưu lượng ống thép khơng gỉ (D=26.64mm) Hình 2: Đồ thị biểu diễn phụ phụ thuộc tổn thất dọc đường theo lưu lượng ống thép không gỉ (D=12.52mm) Hình 3: Đồ thị biễu diễn tổn thất cục theo lưu lượng MẠCH LƯU CHẤT MỤC ĐÍCH Khảo sát tượng tổn thất dọc đường dòng chảy đoạn đường ống tròn khơng có chi tiết nối ống Khảo sát tượng tổn thất cục chi tiết nối ống mở rộng, co hẹp, đoạn ống cong, loại van, … CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương trình lượng áp dụng cho dòng chảy ổn định từ mặt cắt 1-1 đến mặt cắt 2-2 viết sau: z1 + p1 α1V12 p α V2 + = z + + 2 + h f 12 γ 2g γ 2g Trong z1, z2, p1, p2, V1, V2 cao độ, áp suất vận tốc trung bình mặt cắt 1-1 2-2; γ: trọng lượng riêng chất lỏng; g: gia tốc trọng trường; h f12 tổn thất lượng dòng chảy từ mặt cắt 1-1 tới mặt cắt 2-2; α α2 hệ số hiệu chỉnh động mặt cắt 1-1 2-2 2.1 Tổn thất dọc đường hd = λ L V2 L Q2 8λL =λ = Q D 2g D 2g A π gD5 Trong đó: L: chiều dài từ mặt cắt 1-1 đến mặt cắt 2-2 Nhóm 1.2 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Quá trình thiết bị D: đường kính ống V: vận tốc trung bình ống Q: lưu lượng dòng chảy A: tiết diện ống λ: hệ số ma sát hay hệ số tổn thất dọc đường λ= • Đối với dòng chảy tầng ống: • Đối với dòng chảy rối ống: 64 Re ε  λ = f  , Re  D  ε: độ nhám tuyệt đối D: đường kính ống Re: chuẩn số Reynolds 2.2 Tổn thất cục hcb = ξ V2 2g Trong ξ hệ số tổn thất cục có giá trị khác cho loại nối ống khác xác định thực nghiệm KẾT QUẢ TÍNH TỐN 3.1 Tổn thất dọc đường a) Ống thép không gỉ D = 26.64mm Bảng Kết đo tổn thất dọc đường ống thép không gỉ D=26.64mm Độ cột áp Lần Nhiệt độ oC đo Đĩa chắn (mmH2O) Đĩa chắn (N/m2) P1A-P1B (mmH2O) P1A-P1B (N/m2) 30 537.4 5271.894 4.8 47.088 30 4988.8 48940.13 74.2 727.902 30 4024.4 39479.36 49.2 482.652 Nhóm 1.2 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Quá trình thiết bị 30 3057.6 29995.06 33.6 329.616 30 1514.8 1486.19 11.8 115.758 Ta tính tốn cụ thể ứng với mức lưu lượng cho lần đo thứ Ở nhiệt độ 30 oC ta có giá trị sau: Đường kính lỗ đĩa chắn D0 = 0.478 in = 12.1412 mm Đường kính ống gắn đĩa chắn D1 = 1.912 in = 48.5648 mm Ta có: D0 0.478 = = 0.25 D1 1,912 Vận tốc dòng chảy qua đĩa chắn theo cơng thức sau: Tính giá trị Re0 theo V0 sơ bộ: Bảng 2.Sự phụ thuộc hệ số hiệu chỉnh lưu lượng vào chuẩn số Re0 tỉ lệ Do/D1 Hệ số hiệu chỉnh CD Chuẩn số Reynolds - Re0 104 105 106 107 0.2 0.6000 0.5950 0.5940 0.5940 0.25 0.6025 0.5970 0.5950 0.5950 0.4 0.6100 0.6030 0.5980 0.5980 Nội suy từ bảng ta có giá trị: CD = 0.597113 Tính vận tốc dòng chảy theo hệ số hiệu chỉnh CD: Ta tính lại Re0 theo V0: Nội suy từ bảng ta có hệ số hiệu chỉnh CD = 0.60131 Nhóm 1.2 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Quá trình thiết bị Tính vận tốc dòng chảy theo hệ số hiệu chỉnh CD: Ta tính lại Re0 theo V0:  V0 = 1.96 (m/s) Tính lưu lượng Q qua đĩa chắn: Tính vận tốc dòng lưu chất qua ống: Tính lại Re theo V D Độ nhám tuyệt đối ống thép không gỉ là: =4.6x10-2 (mm) ε 4.6 × 10 −2 = = 1.727 × 10 −3 d 26.64 Tính tổn thất dọc đường hd: Tổn thất dọc đường thực tế: Tính tương tự cho lần đo 2,3,4,5 ta có bảng số liệu: Bảng Kết tính tốn cho ống thép khơng gỉ D = 26.64mm Lần đo V0 (m.) 3.26 9.93 8.92 7.78 5.47 Re0 49267.81 150070.37 134806.41 117577.79 82667.16 CD 0.597113 0.596889 0.596923 0.596961 0.597039 Nhóm 1.2 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Quá trình thiết bị V0 (m.) 1.95 5.93 5.33 4.64 3.27 Re0 29470.01 89619.06 80551.37 70123.52 49418.94 CD 0.60131 0.59763 0.59819 0.59883 0.60009 V0 (m.) 1.96 5.94 5.34 4.66 3.28 Q (.) 0.000227 0.000687 0.000618 0.000539 0.00038 V 0.41 1.23 1.11 0.97 0.68 Re 13595.72 40787.16 36807.92 32165.48 22549 hd 0.0115 0.0784 0.0656 0.0518 0.0278 hfiA1B 0.005 0.075 0.049 0.034 0.012 Từ bảng số liệu vẽ đồ thị: Hình Đồ thị biểu diễn phụ phụ thuộc tổn thất dọc đường theo lưu lượng ống thép không gỉ (D=26.64mm) Nhận xét: - Tổn thất dọc đường thực tế lớn lý thuyết - Lưu lương Q tăng tổn thất dọc đường lớn Nhóm 1.2 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Quá trình thiết bị c) Ống nhựa đường kính D = 12.52mm Bảng 4:Kết đo tổn thất dọc đường ống thép không gỉ D=12.52mm Độ cột áp Lần đo Nhiệt độ oC Đĩa chắn (mmH2O) Đĩa chắn (N/m2) P3A-P3B (mmH2O) P3A-P3B (N/m2) 31 475 4659.75 417.2 4090.77 31 483.8 4746.078 428.8 4206.528 31 493 4836.33 447.6 4390.956 31 504.2 4946.202 442 4336.02 30 515.8 5059.998 454.4 4457.664 Ta tính tốn cụ thể ứng với lần đo thứ Ở nhiệt độ 31 oC ta có giá trị sau: Đường kính lỗ đĩa chắn D0 = 0.478 in = 12.1412 mm Đường kính ống gắn đĩa chắn D1 = 1.912 in = 48.5648 mm Ta có: D0 0.478 = = 0.25 D1 1,912 Vận tốc dòng chảy qua đĩa chắn theo cơng thức sau: Tính giá trị Re0 theo V0 sơ bộ: Bảng Sự phụ thuộc hệ số hiệu chỉnh lưu lượng vào chuẩn số Re0 tỉ lệ Do/D1 Hệ số hiệu chỉnh CD Nhóm 1.2 Chuẩn số Reynolds - Re0 104 105 106 107 0.2 0.6000 0.5950 0.5940 0.5940 0.25 0.6025 0.5970 0.5950 0.5950 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Quá trình thiết bị Hệ số hiệu chỉnh CD 0.4 Chuẩn số Reynolds - Re0 0.6100 0.6030 0.5980 0.5980 Nội suy từ bảng ta có giá trị: CD = 0.597117 Tính vận tốc dòng chảy theo hệ số hiệu chỉnh CD: Ta tính lại Re0 theo V0: Nội suy từ bảng ta có hệ số hiệu chỉnh CD = 0.60139 Tính vận tốc dòng chảy theo hệ số hiệu chỉnh CD: Ta tính lại Re0 theo V0:  V0 = 1.84 Tính lưu lượng Q qua đĩa chắn: Tính vận tốc dòng lưu chất qua ống: Tính lại Re theo V D Độ nhám tuyệt đối ống nhựa mm Tính tổn thất dọc đường hd: Tổn thất dọc đường thực tế: Tính tương tự cho lần đo 2,3,4,5 ta có bảng số liệu sau: Bảng Kết tính tốn cho ống thép khơng gỉ D = 12.52 mm Nhóm 1.2 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Quá trình thiết bị Lần đo V0 (m/s) 3.07 3.09 3.12 3.16 3.19 Re0 47274.35 47582.32 48044.29 48660.24 48264.22 CD 0.597117 0.597116 0.597115 0.597114 0.597115 V0 (m/s) 1.83 1.85 1.87 1.89 1.91 Re0 28179.82 28487.8 28795.78 29103.75 28898.01 CD 0.60139 0.60137 0.60135 0.60131 0.60135 V0 (m/s) 1.84 1.86 1.88 1,90 1.92 Q (m3/s) 0.000213 0.000215 0.000218 0.00022 0.000222 V 1.73 1.75 1.77 1.79 1.8 Re 27471.1 27788.68 28106.27 28423.85 28083.41 hd 0.3642 0.3726 0.3797 0.3867 0.3926 hfiA1B 0.419 0.431 0.45 0.444 0.456 Từ bảng số liệu vẽ đồ thị: Hình Đồ thị biểu diễn phụ phụ thuộc tổn thất dọc đường theo lưu lượng ống thép không gỉ (D=12.52mm) Nhận xét: +) Tổn thất dọc đường thực tế lớn so với tổn thất dọc đường lý thuyết Nhóm 1.2 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Quá trình thiết bị +) Lưu lượng Q lớn tổn thất dọc đường tăng (tăng chậm) 3.2 Tổn thất cục Bảng Kết đo tổn thất cục (theo đơn vị mmH2O) Độ chênh cột áp (mmH2O) Nhiệt độ Đĩa chắn P4A-P4B P5A-P5B 29 528.8 3.8 42.5 30 5051.2 39.4 54.6 30 3890.2 31.2 44 30 2747.4 23.6 34.4 30 1610.4 18.6 26.4 Bảng Kết đo tổn thất cục (N/m2) Lần đo Nhiệt độ Độ chênh cột áp (N/m2) Đĩa chắn P4A-P4B P5A-P5B 29 5187.528 37.278 416.925 30 49552.272 386.514 535.626 30 38162.862 306.072 431.64 30 26951.994 231.516 337.464 30 15798.024 182.466 258.984 hcb = ξ V2 2g Cơng thức tính tổn thất cục bộ: Tra bảng “Một số tính chất nước” 29 oC: ρ=995.98 kg/m3 µ = 0.8194x10-3 N.s/m2 Xác định tổn thất cục co: Xác định V lần đo 1: Nhóm 1.2 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Q trình thiết bị Ta có: Nội suy tương tư lần tính ta CD = 0.59991 Ta tính lại Re0 theo V0: Nội suy từ bảng ta có hệ số hiệu chỉnh CD = 0.60001 Tính vận tốc dòng chảy theo hệ số hiệu chỉnh CD:  V0 = 1.94 m/s Lưu lượng dòng chảy Vận tốc dòng chảy ống (D=26.04 mm): Do tồn thí nghiệm xác định tổn thất cục đường kính ống không thay đổi nên VP4 = VP5 = V Theo phương trình Bernoulli, tổn thất cục thực tế co 180o cho lần đo 1: → Theo phương trình Bernoulli, tổn thất cục co 90o cho lần đo 1: → Bảng Kết tính tốn cho lần đo: Lần đo CD Nhóm 1.2 Q(m3/s) V hcb (m) ξ4 hf12 (m) ξ5 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Quá trình thiết bị (m/s) 0.6000 2.24x10-4 0.421 0.0038 0.421 0.128 14.17 0.5996 6.93x10-4 1.302 0.04 0.463 0.14 1.62 0.5997 6.09x10-4 1.144 0.031 0.532 0.129 1.93 0.5998 5.11x10-4 0.96 0.024 0.511 0.12 2.55 0.5998 3.92x10-4 0.74 0.019 0.68 0.112 4.01 Với ζ ,ζ hệ số tổn thất cục bô co 180o co 90o hcb , h f 12 Với tổn thất cục co 1800 co 900 Hình Đồ thị biễu diễn tổn thất cục theo lưu lượng Nhóm 1.2 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Quá trình thiết bị Nhận xét: +) Tổn thất cục co 90o lớn tổn thất cục co 180 o Nguyên nhân chủ yếu tượng hệ số tổn thất cục co 90 o lớn hệ số tổn thất cục co 180o Từ đó, để sử dụng lượng bơm cách hiệu ta nên hạn chế sử dụng co 90o +) Lưu lượng Q lớn, tổn thất cục tăng Nhận xét bàn luận Tổn thất dọc đường +) Ở ống thép tổn thất dọc đường thực tế lớn lý thuyết Ta coi thép khơng gỉ có độ nhám tuyệt đối cố định (độ nhám đặt mặc định ε = 4,6.10-2), nên ma sát dòng lưu chất thành ống thép lớn nên tổn thất cục ống thép trường hợp lớn +) Tổn thất dọc đường lý thuyết có xu hướng tăng ổn định lưu lượng tăng, tổn thất dọc đường thực tế có xu hướng tăng mạnh lưu lượng tăng Tức tăng mức lưu lượng tổn thất dọc đường thực tế tăng nhiều lý thuyết Nguyên nhân: Do lý thuyết ta thường tính trở lực dòng chảy vị trí đáng kể bỏ qua giá trị nhỏ Khi tăng lưu lượng dòng chảy lên, ngồi tổn thất lớn theo lý thuyết tính tổn thất nhỏ mà ta cộng lại tổn thất nhỏ trở nên đáng kể Vì biểu đồ thực tế ta thấy tăng lưu lượng tổn thất dọc đường thực tế có xu hướng tăng nhanh lý thuyết +) Lưu lượng dòng lưu chất tăng lên tổn thất tăng nhiều số lần lưu lượng tăng lên Theo cơng thức Darcy , ta thấy rằng: Q tăng lên n lần h d tăng lên n2 lần Vì lưu lượng tăng lên hao phí dọc đường tăng đáng kể +) Về tiết diện ống: ta thấy ống có tiết diện nhỏ tổn thất dọc đường lớn, ống có tiết diện lớn tổn thất dọc đường lại nhỏ  Nguyên nhân do: ta cho lượng lưu chất qua ống có chất liệu, tính chất khác đường kính ống ống có tiết diện nhỏ chịu áp suất lớn hơn, áp suất tác dụng lên dòng lưu chất với thành ống lớp lưu chất với nhau, ma sát lớn nhiệt sinh làm cho dòng lưu chất mát lượng lớn; ống có đường kính lớn chịu áp suất nhỏ mát lượng nhỏ Điều hoàn toàn hợp lý ta so sánh với cơng thức Darcy là: Đường kính giảm n lần tổn thất dọc đường tăng lên n lần Nhóm 1.2 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Q trình thiết bị +) Nói khơng phải lúc ta tăng kích thước ống cho thật lớn giảm tổn thất tối ưu Vì giảm ma sát dọc đường tổn thất lý khác lại tăng lên như: tốn chi phí lắp đặt đường ống, nhân công, vật liệu, tốn nhiều lượng để bơm hơn, chi phí bảo trì, đặc tính dòng chảy… nên việc chọn ống phù hợp đường kính, vật liệu, tốc độ chảy lưu lượng quan trọng cần phải khảo sát điều kiện tối ưu chi phí định chọn loại ống tốt (đối với quy mô lớn) Tổn thất cục +) Tổn thất cục co 90o lớn tổn thất cục co 180o cho lưu lượng qua ống Nguyên nhân dòng lưu chất qua co 90o bị chuyển hướng đột ngột làm sinh ma sát cục cuối dòng chảy nhằm chuyển hướng dòng chảy, co 180o chuyển hướng dòng chảy diễn dễ dàng Nguyên nhân: Do thiết kế co 90o bẻ góc chuyển hướng nhanh, dòng lưu chất vừa rời khỏi đĩa chắn có xáo trộn cao, đến co 90 o xáo trộn tăng thêm làm ma sát lớn nên tổn thất vị trí P5A-P5B lớn Còn vị trí co 180o thiết kế hướng bẻ góc theo quỹ đạo hình tròn có khoảng từ vị trí P4 đến P5 để ổn định dòng chảy Cách thiết kế co theo quỹ đạo tròn giảm đáng kể ma sát với thành ống với lớp chất lỏng với nhau, đồng thời giảm điểm chết trình lưu chất chuyển động ống nên vị trí P4A-P4B có tổn thất cục nhỏ Vì q trình thí nghiệm nhiệt độ chất lỏng tăng lên? Nhiệt độ có tăng lên hay khơng đến mức độ khơng tăng nữa? Nhiệt độ chất lỏng tăng lên tổn thất dọc đường tổn thất cục bộ: ma sát chất lỏng dòng chảy với với thành ống xốy rối dòng chảy… Phần lượng tổn thất chuyển hóa thành nhiệt làm chất lỏng nóng lên Ngồi ra, nhiệt truyền từ máy bơm vào chất lỏng qua bơm, làm việc máy bơm nóng lên làm nhiệt độ chất lỏng nóng lên theo Trong trình di chuyển, khối lượng m chất lỏng (nước) ống xem không đổi, ma sát không đổi nhiệt lượng sinh thời gian định khơng đổi là: Nhóm 1.2 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Quá trình thiết bị Với: C nhiệt dung riêng nước C = f(t) Vì nhiệt dung riêng C hàm số phụ thuộc tăng theo nhiệt độ t nên nhiệt độ chất lỏng tăng C tăng, tức nhiệt lượng cần cung cấp cho đơn vị khối lượng nước tăng lên độ Nhưng thực tế, nhiệt lượng cung cấp đơn vị thời gian khơng tăng mà giữ ngun Do đó, nhiệt độ t nước tăng dần độ tăng nhiệt độ Δt đơn vị thời gian giảm dần Mà nhiệt lượng q cung cấp đơn vị thời gian bé (do ma sát) nên t tăng đến giá trị định Δt tiến dần đến nhiệt độ nước gần không tăng Tại cần phải ghi số liệu nhiệt độ chất lỏng trình làm thí nghiệm? Trong q trình làm thí nghiệm ta cần phải ghi lại nhiệt độ dòng chất lỏng vì: • Khối lượng riêng chất lỏng độ nhớt chất lỏng chịu ảnh hưởng nhiệt độ • Nếu khơng ghi lại nhiệt độ dòng chất lỏng mà lấy nhiệt độ mơi trường kết tính tốn khơng xác, sai lệch Ngun nhân dẫn đến sai số: + Đọc số áp kế chưa xác + Khi đo tổn thất cột áp đĩa chắn, số liệu mang tính tương đối lưu lượng không ổn định thay đổi khoảng rộng + Hệ số ma sát mang tính tương đối, chưa xác + Đường kính ống khơng xác cặn đáy đường ống làm giảm vận tốc dòng chảy, đường kính đĩa chắn đường ống khác + Vận tốc ống phân bố khơng mặt cắt ngang dòng chảy + Áp kế vi sai không ổn định + Nước có lẫn tạp chất Nhóm 1.2 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Quá trình thiết bị TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Văn Đài tập thể tác giả, “Cơ sở Quá trình thiết bị CNHH tập 1&2”, NXB Đại học THCN, Hà Nội 1975 [2] Vũ Bá Minh - Võ Văn Bang, “Quá trình & Thiết bị CNHH Thực phẩm tập 3”, NXB ĐH Quốc gia TP Hồ Chí Minh, năm 1999 [3] Phan Văn Thơm, “Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất chế tạo thực phẩm”, NXB ĐH Cần Thơ, năm 2004 [4] Nguyễn Thuần Nhi, “Sổ tay nhiệt động kĩ thuật truyền nhiệt”, NXB ĐH Cần Thơ, năm 2015 Nhóm 1.2 Trang ... định + Nước có lẫn tạp chất Nhóm 1.2 Trang CNHD: Thiều Quang Quốc Việt TT Quá trình thiết bị TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Văn Đài tập thể tác giả, “Cơ sở Quá trình thiết bị CNHH tập 1&2”, NXB Đại học... Bá Minh - Võ Văn Bang, Quá trình & Thiết bị CNHH Thực phẩm tập 3”, NXB ĐH Quốc gia TP Hồ Chí Minh, năm 1999 [3] Phan Văn Thơm, “Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất chế tạo thực phẩm”, NXB ĐH Cần... do: ta cho lượng lưu chất qua ống có chất liệu, tính chất khác đường kính ống ống có tiết diện nhỏ chịu áp suất lớn hơn, áp suất tác dụng lên dòng lưu chất với thành ống lớp lưu chất với nhau,