[123doc] - huong-dan-giai-bai-tap-cac-qua-trinh-thuy-luc-va-co-hoc

NỘI DUNG CHÍNH PHẦN LÝ THUYẾT HỌC PHẦN QTTL&CH Chương NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC HỌC Áp suất thủy tĩnh đặc điểm áp suất thủy tĩnh Trình bày khái niệm chiều cao pezômét riêng chất lỏng Ứng dụng phương trình tĩnh lực học chất lỏng để đo áp suất dư bình chứa khí có áp suất tuyệt đối p Ứng dụng phương trình tĩnh lực học chất lỏng Các khái niệm chung chuyển động chất lỏng ( lưu lượng, vận tốc, độ nhớt, sức căng bề mặt, đường kính tương đương) Giải thích vận tốc chuyển động chất lỏng ống dẫn cần chọn thích hợp? Các chế độ chuyển động chất lỏng (ổn định, khơng ổn định, dịng xốy) Phương trình dịng liên tục, phương trình Becnuli.Cơ sở việc ứng dụng phương trình Becnuli để đo lưu lượng chất lỏng chuyển động ống dẫn ống pitơpran ống venture Giải thích ý nghĩa riêng vận tốc w2 qua 2g việc dùng ống pitô để đo vận tốc chuyển động chất lỏng ống dẫn Trở lực ống dẫn chất lỏng (trở lực ma sát trở lực cục bộ) Nêu ý nghĩa việc nghiên cứu trở lực ống dẫn chất lỏng, từ đề xuất phương hướng chung để giảm trở lực Thủy động lực học lớp hạt (khái niệm chung, vận tốc lắng hạt mơi trường khí lỏng) BÀI TẬP CÁC QUÁ TRÌNH THỦY LỰC VÀ CƠ HỌC Chương NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH THỦY LỰC Bài Tính khối lượng riêng khơng khí gồm 79% nitơ 21% ôxy (theo phần trăm thể tích) độ chân khơng 0,58 at, nhiệt độ - 40 oC Biết áp suất khí 0,99 at Đáp số: 0,62 kg/m3 Hướng dẫn: Tính theo cơng thức: ρ = ρ T0 p Tp Bài Xác định độ nhớt động học khí cacbonic theo hệ đơn vị kỹ thuật nhiệt độ 30 oC áp suất tuyệt đối 5,28 at Biết độ nhớt động lực 30 oC µ = 0,015 Cp (bỏ qua thay đổi độ nhớt theo áp suất) Đáp số: 1,658.10-6 m2/s Hướng dẫn: Tính theo cơng thức: ν = T0 p µ m2 Đã biết µ, cần tính ρ theo ρ = ρ s ρ Tp Bài Xác định độ nhớt hỗn hợp khí nóng có thành phần thể tích: 16% CO 2, 5% O2 79% N2 nhiệt độ 400 oC áp suất tuyệt đối at Biết độ nhớt động lực khí nhiệt độ áp suất cho tương ứng là: 0,035 Cp; 0,039 Cp 0,033 Cp Đáp số: 34.10-6 kg/m.s Hướng dẫn: Áp dụng công thức: M hh x1 M x M = + + ⋅⋅⋅ µ hh µ1 µ2 M hh =? µ hh M =? µ hh = ? Bài Xác định độ nhớt động học hỗn hợp lỏng gồm 70% mol O 30% mol N2 84 oK áp suất tuyệt đối at Biết độ nhớt động lực O N2 nhiệt độ áp suất cho tương ứng là: 23.10 -6 KG.s/m2 12.10-6 KG.s/m2; khối lượng riêng trạng thái lỏng tương ứng 1180 kg/m3 780 kg/m3 Đáp số: 178,64.10-6 m2/s Hướng dẫn: µ m2 s ρ Tính µhh theo cơng thức: lg µ hh = n1 lg µ1 + n lg µ + ⋅ ⋅ ⋅ Trong đó: n1, n2, …là phần mol cấu tử 1, 2, … hỗn hợp lỏng lg µ hh = ? Tính ρhh theo cơng thức: ρ hh = a1 ρ1 + a ρ + ⋅ ⋅ ⋅ Với a1, a2, …là phần khối lượng cấu tử hỗn hợp lỏng Thành phần khối lượng cấu tử hỗn hợp là: 0,7.32 0,3.28 aO2 = = 0,727 kg ; a N2 = = 0,273 kg kghh kghh 0,7.32 + 0,3.28 0,3.28 + 0,7.32 → ρ hh = ? µ ν hh = hh = ? ρ hh Áp dụng công thức: ν = Bài Xác định độ nhớt huyền phù benzidin hòa tan nước với nồng độ benzidin 10 m3 nước nhiệt độ 20 oC Trọng lượng tương đối pha rắn 1,2 Biết 20 oC độ nhớt nước Cp Đáp số: 1,19.10-3 kg/m.s Hướng dẫn: Áp dụng cơng thức: µ dd = µ ch.l (1 + 2,5ϕ ) neu ϕ  10% hay µ dd = µ ch.l (1 + 4,5ϕ ) neu ϕ  10% Trong đó: ϕ thành phần thể tích pha rắn dung dịch Tính thể tích pha rắn là: V = ? Tính thành phần thể tích pha rắn là: ϕ = ? Bài Biết độ nhớt cloruabenzen 20 oC 50 oC tương ứng 0,9 Cp 0,6 Cp Xác định độ nhớt cloruabenzen 70 oC Tra bảng ( có tài liệu chuyên môn) biết độ nhớt nước nhiệt độ 58 oC 59 oC tương ứng 0,483 Cp 0,476 Cp nhiệt độ nước tương ứng với 0,9 Cp 0,6 Cp là: 25 oC 45 oC Đáp số: 0,48 Cp Hướng dẫn: t1 − t = k = cos nt θ1 − θ t3 − t t −t = k → θ3 = + θ2 Để tính độ nhớt nhiệt độ t3 thì: θ3 − θ k 50 − 20 70 − 20 = 1,5 = →θ = 58,4 C Công thức Páplôp: 45 − 25 θ − 25 Sử dụng công thức Páplốp: Tra độ nhớt nước nhiệt độ θ3, độ nhớt cloruabenzen 70 oC Từ số liệu biết, dùng phương pháp nội suy ta có: ∆µ ∆µ µ = 0,483 − ⋅ ∆t1 = ? hay µ = 0,476 + ⋅ ∆t = ? ∆t ∆t ∆t- chênh lệch nhiệt độ (tra theo bảng) ∆µ- chênh lệch độ nhớt (tra theo bảng) ứng với hai nhiệt độ ∆t1 ∆t2 chênh lệch nhiệt độ θ3 nhiệt độ tra theo bảng Bài Dùng áp kế chữ U chứa axit có khối lượng riêng 1800 kg/m để đo áp suất chân không tháp sấy axit Mức axit ống chữ U chênh 3cm Tính áp suất tuyệt đối tháp theo kp/m2 (KG/m2), biết áp suất khí 750 torr Đáp số: 10141 kp/m2 Hướng dẫn: p ck = p a − p → p = p a − p ck = p a − ρgh p=? Bài Một áp kế gắn vào ống dẫn 0,18kp/cm Tính chiều cao cột chất lỏng dâng lên ống ống hở đầu nối với ống dẫn, chảy ống dẫn là: a Nước b Cacbon tetraclorua Biết khối lượng riêng nước cacbon tetraclorua tương ứng 1000 kg/m 1633 kg/m3 Đáp số: a 1,8m; b 1,1m Hướng dẫn: p du = p − p a = ρgh → h = p du ρg h H 2O = ? hCCl4 = ? Bài Một chất lỏng chứa bình có khối lượng riêng 1230 kg/m 3, áp kế gắn vào thành bình áp suất dư 0,31 at Tính chiều cao mức chất lỏng từ mặt thoáng đến điểm đặt áp kế Đáp số: 2,52 m Hướng dẫn: Ứng dụng phương trình tĩnh lực học chất lỏng: p = pa + ρgh Trong p áp suất tuyệt đối điểm đặt áp kế Đã biết: p – pa = 0,31 at Từ công thức trên, ta có: h = p − pa =? ρg Bài 10 Chân không kế đo độ chân không thiết bị ngưng tụ barơmét 600 mmHg, áp suất khí 748 mmHg Xác định: - Áp suất tuyệt đối thiết bị ngưng tụ - Chiều cao nước ống barômét thiết bị ngưng tụ Đáp số: 8,16 m Hướng dẫn: - Áp suất tuyệt đối thiết bị ngưng tụ: p = pa – pck = 748 – 600 = 148 mmHg - Ứng dụng phương trình tĩnh lực học chất lỏng để tính chiều cao nước: pa = p + ρgH → H = pa − p =? ρg Bài 11 Một bình kín chứa khí (có áp suất chân khơng) nối liền với ống hình chữ U kín hở chứa thủy ngân Xác định chiều cao cột thủy ngân ống kín (có chân khơng tuyệt đối) chiều cao cột thủy ngân ống hở 30 cm Biết khối lượng riêng thủy ngân 13600 kg/m3, áp suất khơng khí bên ngồi 9,81.104 N/m2 Đáp số: 43 cm Hướng dẫn: Ứng dụng phương trình tĩnh lực học: pa − p = 30 cm = 0,3 m → p = ? Với ống kín ρg p p = ρgh → h = =? ρg Với ống hở Bài 12 Trên máy nén thủy lực, người ta tác dụng lên pittông nhỏ lực 589 N Bỏ qua tổn thất, xác định lực nén lên pittơng lớn Biết đường kính ptitông nhỏ d = 40 mm pittông lớn D = 300 mm Đáp số: 33131 N Hướng dẫn: Áp dụng công thức: P2 f f = → P2 = P1 = ? P1 f1 f1 Bài 13 Cần xác định chế độ dòng chảy chất lỏng không gian thiết bị hai vỏ với đường kính vỏ 25 x (mm) vỏ 51 x 2,5 (mm) Biết lưu lượng chất lỏng 3,73 T/h, khối lượng riêng chất lỏng 1150 kg/m độ nhớt động lực 1,2 Cp Đáp số: Re ≈ 150000 nên có chế độ chuyển động xốy Hướng dẫn: w.d tđ ρ Áp dụng cơng thức: Re = µ Cần xác định đường kính tương đương thiết bị hai vỏ dtđ = 4Rtl vận tốc w = V/f f =? U =? Rtl = d tđ V =? f Re = ? w= Bài 14 Xác định vận tốc giới hạn ống thẳng có đường kính 51 x2,5 (mm) hai trường hợp: a Khơng khí 20 oC at b Dầu mỏ với độ nhớt 35 Cp khối lượng riêng tương đối 0,936 Biết độ nhớt khối lượng riêng khơng khí 20 oC at tương ứng 0,018 Cp 1,2 kg/m3 Đáp số: 0,756 m/s 1,833 m/s Hướng dẫn: 2320.µ Áp dụng cơng thức: wth.d = d ρ a Khi khơng khí chảy qua ống: wth.d = ? b Khi dầu mỏ chảy qua ống: wth.d = ? Bài 15 Đường kính pittơng bé lớn máy ép thủy lực tương ứng 40mm 300mm Tính lực tác dụng phía pittơng lớn, phía pittơng bé có lực tác dụng 60kp Đáp số: 3375kp Hướng dẫn: P2 f f = → P2 = P1 ⋅ = ? P1 f1 f1 Bài 16 Thiết bị làm lạnh kiểu ống chùm, đường kính ống truyền nhiệt 20 x 2mm Cửa dẫn nước vào thiết bị có đường kính 57 x 3,5mm Vận tốc nước chảy ống dẫn 1,4m/s Nước chảy từ lên Xác định vận tốc nước chảy ống truyền nhiệt Số ống truyền nhiệt thiết bị 19 Đáp số: 0,72m/s Hướng dẫn: f w1 = f w2 → w2 Bài 17 Nitơ áp suất dư 3at chảy qua dàn ống chùm gồm 379 ống, đường kính ống 16 x 1,5mm, với suất 6400m 3/h tiêu chuẩn Nhiệt độ đầu nitơ 120oC nhiệt độ cuối 30oC Tính vận tốc nitơ đầu vào đầu ống Đáp số: 13,2 m/s 10,19 m/s Hướng dẫn: Dựa vào phương trình cân vật liệu: wv fρ v = QTC ρ ; wr fρ r = QTC ρ ρ v = ?; ρ r = ? → wv , wr = ? Bài 18 Thiết bị làm lạnh thép loại ống lồng ống, có đường kính ống 29 x 2,5mm, đường kính ống ngồi 54 x 2,5mm Dung dịch muối có khối lượng riêng 1150kg/m3 chảy ống với suất 3,73 tấn/h Chất khí áp suất 5at chảy qua phần không gian hai ống với lưu lượng 160kg/h Nhiệt độ trung bình khí 0oC Khối lượng riêng khí trạng thái tiêu chuẩn (0 oC 760 torr) 1,2kg/m3 Tính vận tốc khí dung dịch Đáp số: 6,248 m/s 0,1992 m/s Hướng dẫn: wdd = Qdd f wkhi = Qkhi f v.khan Bài 20 Thiết bị gia nhiệt loại ống chùm có đường kính 625mm chứa 61 ống truyền nhiệt, đường kính ống truyền nhiệt 35 x2,5mm Xác định đường kính tương đương khoảng khơng gian ống truyền nhiệt Đáp số: 0,11m Hướng dẫn: d tđ = 4.Rtl = f =? U Bài 21 Xác định đường kính tương đương khoảng trống ống thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm gồm 61 ống có đường kính 38 x 2,5 (mm), đường kính thiết bị 625 mm Đáp số: 0,102 m Hướng dẫn: d tđ = 4.Rtl = f =? U Bài 22 Hai ống lồng đồng trục Đường kính ngồi ống 57mm đường kính ống ngồi 89mm Nước có nhiệt độ 20 oC chảy khoảng hai ống với lưu lượng 3,6m3/h Xác định chế độ dòng nước chảy Đáp số: chảy xốy Hướng dẫn: Tính chuẩn số Raynon Bài 23 Trên ống dẫn khơng khí khơ đường kính 320 mm, người ta đặt ống pitơpran Áp kế 5,8 mmH2O Xác định lưu lượng khối lượng (kg/h) khơng khí ? Biết nhiệt độ khơng khí 21 oC, hệ số vận tốc 0,89 Đáp số: 2991,6 kg/h Hướng dẫn: Áp dụng công thức: Q = f ϕ w.ρ kg s Đã biết f, ϕ; cần xác định vận tốc tâm ống dẫn khối lượng riêng không gh( ρ N − ρ KK ) 2∆p = khí 21 oC: w = ρ KK ρ KK Và ρKK 21 oC: ρ KK = ρ T0 p =? T p0 Thay vào cơng thức tính Q = ? Bài 24 Cho chất lỏng chảy qua lỗ đáy bình có đường kính 10 mm, chiều cao mức chất lỏng khơng đổi 900 mm, đường kính thùng chứa 800 mm, lưu lượng chảy 750 lít/h Xác định hệ số lưu lượng ? Nếu không cung cấp chất lỏng vào thùng thời gian chảy hết chất lỏng thùng ? Đáp số: 72,533 phút Hướng dẫn: Áp dụng cơng thức: V = µ f gH → µ = V f gH =? Nếu khơng cung cấp chất lỏng vào thùng thời gian chảy hết chất lỏng thùng là: τ= f H =? µ f 2.g Bài 25 Một bể chứa có tiết diện 3m 2, đáy có lỗ tháo Mực nước bình trì mức 1m trình chảy Khi ngừng cho nước vào bể, mực nước bắt đầu thấp dần chảy hết sau 100s Tính lượng nước chảy vào bể Đáp số: 0,06m3/s Hướng dẫn f H = 100 → µ f = ? → Vs = µ f gH = ? Từ τ = µ f 2.g Bài 26 Dầu mỏ có khối lượng riêng tương đối 0,9 chảy qua ống dẫn nằm ngang có đường kính 200mm Để đo lưu lượng người ta mắc màng chắn có hệ số lưu lượng 0,61 Cửa mở màng chắn có đường kính 76mm Áp kế thuỷ ngân hiệu số áp suất qua màng 102torr Tính vận tốc lưu lượng dầu Đáp số: 5,314m/s 47304kg/h Bài 27 Trên ống dẫn nằm ngangcó kích thước 160 x (mm), người ta đặt ống đo lưu lượng kiểu venturi Đường kính phần thắt lại 60 mm Khí etan (C2H6) ống áp suất thường, nhiệt độ 25 oC Áp kế 32 mmH2O Xác định lưu lượng khối lượng (kg/h) khí Hệ số lưu lượng lấy 0,97 Đáp số: 264 kg/h Hướng dẫn: Áp dụng công thức: Q = Vs ρ C H 3600 kg h Trong đó: Vs = µ f w2 Viết phương trình Becnuli cho tiết diện lớn tiết diện nhỏ với mặt chuẩn qua tâm ống dẫn, kết có vận tốc qua tiết diện nhỏ: w2 = ( 2.g h ρ N − ρ C2 H 2.∆p = ρ C 2H ρ C2 H ρ C252 HC6 = ρ T0 p T p0 ) Trong đó: =? πd 22 → w2 = ? → V s = µ w2 → Q = ? Bài 28 Một ống dẫn nằm ngang đường kính 159/147 (mm) để dẫn khơng khí 40 o C Trong mơi trường áp suất khí quyển, người ta dùng ống pitôpran đặt tâm ống dẫn, cách đầu ống m Ống pitôpran với áp kế chữ U (dùng nước) mức chênh lệch 13 mmH2O Tính lưu lượng khí ống dẫn, biết ϕ = 0,85 độ nhớt động lực khơng khí 40 oC 1,9.10-5 kg/m.s Đáp số: 777,6 m3/h Hướng dẫn: πd ⋅w Áp dụng công thức: Q = Cần xác định vận tốc w = ϕ.wmax wmax = 2∆p Trong đó, ∆p biết; cần xác định khối lượng riêng khơng khí ρ nhiệt độ cho ρ 40 C = ? wmax = ( ) 2.g.h ρ n − ρ 400 C 2∆p = =? ρ ρ 400 C Kiểm tra chế độ chảy khơng khí vị trí đặt ống pitôpran: m > 40.d = 40.0,147 = 5,9 m Vậy chế độ chảy ổn định nên tính vận tốc trung bình theo cơng thức w = ϕ.wmax = 0,85.15,03 = 12,77 m/s Lưu lượng khơng khí ống dẫn là: πd Q= w = ? Vì φ = 0,85 ứng với chế độ chuyển động xốy, cần tính Re = ? để đánh giá lại hệ số φ Bài 29 Đường kính ống dẫn gồm hai đoạn nối với nhau: đoạn lớn có đường kính 200 mm đoạn nhỏ 100 mm Đoạn nối chuyển tiếp có đường kính thay đổi Khí mêtan 30 oC vận chuyển ống áp suất khí 760 mmHg Hai đầu đoạn chuyển tiếp lắp hai áp kế chữ U chứa nước Biết áp kế chữ U đầu lớn 40 mmH2O Hỏi áp kế chữ U đầu nhỏ ? Biết lưu lượng tiêu chuẩn 1700 m3/h, tính áp suất tuyệt đối hai tiết diện Bỏ qua trở lực ống dẫn Đáp số: 10370 mmH2O 10232 mmH2O Hướng dẫn: Viết phương trình Becnuli cho hai mặt cắt qua tiết diện lớn tiết diện nhỏ: p1 w12 p w2 ρ ( w22 − w12 ) + = + → ∆p = p1 − p = ρg g ρg g w1 = w2 = 4.1700 ( 273 + 30 ) 4Q T0 + t ⋅ = = 16,7 m 2 s T π d 3,14.0,2 273.3600 4Q T0 + t 4.1700 ( 273 + 30) ⋅ = = 66,8 m s π d 22 T0 3,14.0,12.273.3600 Hay w2 = w1 30 C ρ CH = ρ0 d 12 0,2 = 16 , = 66,8 m s d 22 0,12 T0 p 16 273.1 = ⋅ = 0,645 kg m T p 22,4 ( 273 + 30).1 ( ) 0,645 66,8 − 16,7 1354.10 N ∆p = = 1354 = = 138 mmH O m 9,81.10 p = p1 − 138 = 40 − 138 = −98 mmH O Chỉ số đo áp suất dư Vậy áp suất tuyệt đối hai tiết diện là: - Tiết diện lớn: p1tđ = 10330 + 40 = 10370 mmH O - Tiết diện nhỏ là: p 2tđ = 10330 + ( − 98) = 10232 mmH O Bài 30 Một thùng hình trụ đường kính m chứa nước đến độ cao m Dưới đáy thùng đục lỗ đường kính 0,03 m Tính thời gian cần thiết để nước thùng chảy hết qua lỗ đáy Biết hệ số lưu lượng qua lỗ đáy µ = 0,62 Đáp số: 1144 s Hướng dẫn: Áp dụng công thức: τ = f H µ f 2.g =? Bài 31 Một ống dẫn nằm ngang đường kính 152 mm dùng để dẫn nước 20 C với vận tốc trung bình 1,3 m/s Trong ống dẫn đặt màng chắn tiêu chuẩn với đường kính lỗ 83,5 mm Xác định số đo áp kế chữ U chữa thủy ngân đặt vị trí màng Biết khối lượng riêng nước 20 oC thủy ngân tương ứng là: 1000 kg/m3 13600 kg/m3; độ nhớt động học nước 20 oC 1,01.10-6 m2/s hệ số lưu lượng chảy qua màng 0,635 Hướng dẫn: gh( ρ TN − ρ ) m VS VS = µ f → h= s ρ g ( ρ TN − ρ ) Từ phương trình biết: µ f ρ Trong phương trình trên, để tính h cần tính lưu lượng VS = ? o VS = F wTB = ? Thay số vào ta có: h =?→h=? Bài 32 Nước chảy qua ống dẫn với lưu lượng 10m 3/h Xác định lưu lượng đường kính ống dẫn lớn gấp đôi, hai đường ống có chế độ chảy xốy, có hệ số trở lực tổn thất áp suất Đáp số: 56,56m3/h Bài 33 Trong ống dẫn thẳng dài 150 m có chất lỏng chảy qua với lưu lượng 10 m3/h, giả thiết tổn thất áp suất 10 m Xác định đường kính ống dẫn ? Lấy hệ số ma sát 0,03 Đáp số: 0,049 m Hướng dẫn:  4.Vs    2 Áp dụng công thức: w l w l  π d  8λ l h ms = ξ = λ = λ ⋅ = ⋅ ⋅ Vs2 2g d 2g d 2g π g d → d5 = 8.λ l.Vs2 =? hm π g Bài 34 Cần xác định đường kính ống dẫn hyđro để đạt lưu lượng 120 kg/h Đường kính ống dài 1000 m, tổn thất áp suất tối đa ∆p = 110 mmH2O, khối lượng riêng hyđro 0,0825 kg/m3, hệ số ma sát λ = 0,03 Đáp số: 0,2 m Hướng dẫn: Áp dụng công thức: ∆p = Thay số vào, ta có: d = ? λ.l ρ w 8λ.l.ρ 8λ.l.ρ ⋅ = ⋅ Vs → d = ⋅ Vs2 d π d π ∆p ... định: - Áp suất tuyệt đối thiết bị ngưng tụ - Chiều cao nước ống barômét thiết bị ngưng tụ Đáp số: 8,16 m Hướng dẫn: - Áp suất tuyệt đối thiết bị ngưng tụ: p = pa – pck = 748 – 600 = 148 mmHg - Ứng... nhiệt độ áp suất cho tương ứng là: 23.10 -6 KG.s/m2 12.1 0-6 KG.s/m2; khối lượng riêng trạng thái lỏng tương ứng 1180 kg/m3 780 kg/m3 Đáp số: 178,64.1 0-6 m2/s Hướng dẫn: µ m2 s ρ Tính µhh theo... nội suy ta có: ∆µ ∆µ µ = 0,483 − ⋅ ∆t1 = ? hay µ = 0,476 + ⋅ ∆t = ? ∆t ∆t ∆t- chênh lệch nhiệt độ (tra theo bảng) ∆? ?- chênh lệch độ nhớt (tra theo bảng) ứng với hai nhiệt độ ∆t1 ∆t2 chênh lệch