THỰC tập QUÁ TRÌNH và THIẾT bị MẠCH lưu CHẤT

Khảo sát hiện tượng tổn thất dọc đường của các dòng chảy trên một đoạn đường ống tròn không có các chi tiết nối ống. _ Khảo sát hiện tượng tổn thất cục bộ ở các chi tiết nối ống như mở rộng, co hẹp, đoạn ống cong, các loại van, …

THỰC TẬP QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

MẠCH LƯU CHẤT

I Mục đích

_ Khảo sát hiện tượng tổn thất dọc đường của các dòng chảy trên một đoạn đường ống

tròn không có các chi tiết nối ống

_ Khảo sát hiện tượng tổn thất cục bộ ở các chi tiết nối ống như mở rộng, co hẹp, đoạn

ống cong, các loại van, …

II Tính toán

1 Đo tổn thất dọc đường

1.1 Ống thép không gỉ D = 26.64mm

Bảng 1- Kết quả đo tổn thất dọc đường trên ống thép không gỉ D=26.64mm

Lần đo Nhiệt độ o C

Độ trên cột áp mmH 2 O Đĩa chắn Đĩa chắn (N/m 2 ) P1A-P1B P1A-P1B (N/m 2 )

Ta tính toán cụ thể cho lần đo thứ 1.

Ta có:

Với và giả sử tại Re = 104 thì ta tìm được hệ số hiệu chỉnh:

CD =

Tương tự như thế ta có bảng giá trị CD theo chuẩn số Re = 105, 106, 107

Bảng 2- Sự phụ thuộc của hệ số hiệu chỉnh lưu lượng vào chuẩn số Reo và tỉ lệ Do/D

Hệ số hiệu

chỉnh C D

Chuẩn số Reynolds - Re 0

Vận tốc sơ bộ của dòng chảy qua đĩa chắn:

Tính giá trị Reo theo Vo sơ bộ:

Reo = =

Tương tự các lần đo 2,3,4,5 ta có bảng số liệu

Bảng 3- Kết quả tính giá trị V’o và Reo của ống thép không gỉ D=26.64mm

Lần

đ

o

Nhiệt độ (kg/m3) µ.10 3 (m 2 /s) V o (m/s) Re o

Tại giá trị Reo = 148171.502 và tỉ số , ta xác định hệ số hiệu chỉnh CD

CD =

Tính lại vận tốc Vo theo hệ số hiệu chỉnh CD

Tính lưu lượng Q qua đĩa chắn:

Tính vận tốc dòng lưu chất qua ống:

V = =1.243 (m/s)

Tính lại Re theo V và D

=  chế độ chảy quá độ Re > 40000

Trong giới hạn độ nhám tương đối nên:

Xét tỉ số

Suy ra: (nguồn: Sổ tay QTTB tập 1)

Tính tổn thất dọc đường hd:

)

Chuyển tổn thất dọc đường sang chênh lệch cột áp (N/m2):

h’d = hd g = 0.096 9.81 995.98 = 936.406 (N/m2)

Tính tương tự cho các lần đo 2,3,4,5 ta có bảng số liệu:

Bảng 4- Kết quả tính toán toán cho ống thép không gỉ D = 26.64mm

n

v 0 '

(

m

/

s

)

Re o C D

v 0

( m / s )

Q (m3/s )

v (m/s

(m)

h’ d

(N/m 2 )

1

10

0

2

4

1481 7

2 0.597

5.9 8 3

0.000 69

2 1.300

421 8 2

0.02 6

5 0.107

104 3 5 3 2

9.5

2

4

1437 7

8 0.597

5.6 8 5

0.000 65 8

1.23 6

409 3 2

0.02 6

5 0.097

945 2 2 0 3

8.8

6

7

1338 5

1 0.597

5.2 9 3

0.000 61

2 1.150

381 0 8

0.02 6

8 0.085

826 6 3 8 4

8.3

0

7

1254 0

5 0.597

4.9 5 9

0.000 57

4 1.078

357 0 4

0.02 7

0 0.075

731 8 0 2 5

9.3

9

5

1418 3

6 0.597

5.6 0 8

0.000 64 9

1.21 9

403 8 0

0.02 6

6 0.094

921 4 2 3

000.001 000.001 000.001 000.001 000.001 000.001 000.001 000.001 000.001 600

700 800 900 1000 1100

Lưu lượng (m3/s)

Vẽ đồ thị:

Hình 1- Đồ thị biểu diễn sự phụ phụ thuộc tổn thất dọc đường theo lưu lượng của ống thép không

gỉ (D=26.64mm)

Nhận xét:

Độ chênh lệch cột áp tính toán thấp hơn so với độ chênh lệch cột áp đo được Khi lưu lượng dòng chất lỏng tăng thì tổn thất dọc đường cũng tăng

Ở mức lưu lượng 0.00065 m3/s thì tổn thất của lý thuyết là 765.18 N/m2 còn tổn thất đo được là 922.34 N/m2 Tổn thất thực tế cao hơn tổn thất lý thuyết là 157.16 N/m2

Khi lưu lượng dòng chảy qua ống tăng thì tổn thất dọc đường cũng tăng theo Vì tổn thất dọc đường tỉ lệ thuận với bình phương lưu lượng

Ta thấy, tổn thất cột áp đo được có chênh lệch so với tổn thất cột áp theo tính toán Nguyên nhân là do:

+ Trong quá trình tính toán ta làm tròn số nhiều lần

+ Khi xác định độ chênh cột áp tại đĩa chắn, do lưu lượng không ổn định và thay đổi trong một khoảng rộng nên ta xác định giá trị tương đối chưa chính xác

+ Tại đĩa chắn có bị tổn thất nhưng ta bỏ qua

+Hệ số ma sát chỉ mang tính tương đối, chưa chính xác

+Đường kính ống không chính xác do cặn ở đáy đường ống làm giảm vận tốc dòng chảy

1.2 Ống nhựa đường kính D = 15.8mm

Bảng 5- Kết quả đo tổn thất dọc đường trên ống nhựa D=15.8mm

Lần đo Nhiệt độ o C

Độ trên cột áp mmH 2 O Đĩa chắn Đĩa chắn (N/m 2 ) P2A-P2B P2A-P2B (N/m 2 )

4 31 114.6 1124.226 77 755.37

Ta tính toán cụ thể cho lần đo thứ 1.

Ta có:

Với và giả sử tại Re = 104 thì ta tìm được giá trị hệ số hiệu chỉnh

CD = = 0.6025

Tương tự như thế ta có bảng giá trị CD theo chuẩn số Re = 105, 106, 107 Tương như bảng 2 Vận tốc sơ bộ của dòng chảy qua đĩa chắn:

Tính giá trị Reo theo Vo sơ bộ:

Reo = =

Tương tự các lần đo 2,3,4,5 ta có bảng số liệu

Bảng 6- Kết quả tính giá trị V’o và Reo của ống nhựa D=15.8mm

Lần đo Nhiệt độ (kg/m3) µ.10 3 (m 2 /s) V’ o (m/s) Re o

Tại giá trị Reo = 29988 và tỉ số , ta xác định hệ số hiệu chỉnh CD

CD =

Tính lại vận tốc Vo theo hệ số hiệu chỉnh CD

Tính lưu lượng Q qua đĩa chắn:

Tính vận tốc dòng lưu chất qua ống:

V = = 0.691 (m/s)

Tính lại Re theo V và D

=

 chế độ chảy rối Re 4000

Do ống bằng nhựa nên độ nhám = 0, ta xem như gần bằng 1.10-9

Tính chỉ số Regh = 6= 6 = 2.71012

Suy ra: 4000 < Re < Regh nên tính  theo công thức:

Tính tổn thất dọc đường hd:

Chuyển tổn thất dọc đường sang chênh lệch cột áp (N/m2):

h’d = hd g = 0.056 9.81 995.37 = 404.930 (N/m2) Tính tương tự cho các lần đo 2,3,4,5 ta có bảng số liệu:

Bảng 7- Kết quả tính toán toán cho ống nhựa D = 15.8mm

Lầ

n

v 0 '

(

m

/

s

)

Re o C D

v 0

( m / s )

Q (m 3 /s)

v (m/s

(m)

h’ d

(N/m

2 )

1

1.9

4

6

2998

8 0.601

1.1 7 0

0.000 13 5

0.69 1

138 5 4

0.02 9

6 0.056

542 1 3 3 2

1.0

7

1

1617

0 0.602

0.6 4 5

0.000 07 5

0.38

0.03 5

2 0.020

195 9 5 2 3

0.7

7

0

1163

0 0.602

0.4 6 4

0.000 05 4

0.27

0.03 8

8 0.011

111 9 9 4 4

1.5

0

6

2321

1 0.602

0.9 0 6

0.000 10 5

0.53 5

107 3 1

0.03 1

7 0.036

348 7 6 6 5

1.1

3

9

1719

7 0.602

0.6 8 6

0.000 07 9

0.40

0.03 4

5 0.022

217 6 4 3

000.0000 000.000 000.000 000.000 000.000 000.000

200

4 00

600

800

1000

1200

14 00

Thực tế

Lý thuyết

Lưu lượng (m3/s)

Vẽ

đồ thị:

Hình 2- Đồ thị biểu diễn sự phụ phụ thuộc tổn thất dọc đường theo lưu lượng của ống nhựa

(D=15.8mm)

Nhận xét:

Độ chênh lệch cột áp tính toán thấp hơn so với độ chênh lệch cột áp đo được Khi lưu lượng dòng chất lỏng tăng thì tổn thất dọc đường cũng tăng

Ở mức lưu lượng 0.000135 m3/s thì tổn thất của lý thuyết là 542.133 N/m2 còn tổn thất đo được là 1167.39 N/m2 Tổn thất thực tế cao hơn tổn thất lý thuyết là 625.257 N/m2

Khi lưu lượng dòng chảy qua ống tăng thì tổn thất dọc đường cũng tăng theo Vì tổn thất dọc đường tỉ lệ thuận với bình phương lưu lượng

Ta thấy, tổn thất cột áp đo được có chênh lệch so với tổn thất cột áp theo tính toán Nguyên nhân là do:

+ Trong quá trình tính toán ta làm tròn số nhiều lần

+ Khi xác định độ chênh cột áp tại đĩa chắn, do lưu lượng không ổn định và thay đổi trong một khoảng rộng nên ta xác định giá trị tương đối chưa chính xác

+ Tại đĩa chắn có bị tổn thất nhưng ta bỏ qua

+Hệ số ma sát chỉ mang tính tương đối, chưa chính xác

+Đường kính ống không chính xác do cặn ở đáy đường ống làm giảm vận tốc dòng chảy

1.3 Ống nhựa đường kính D = 12.52mm

Bảng 8- Kết quả đo tổn thất dọc đường trên ống nhựa D=12.55mm

Lần đo Nhiệt độ o C

Độ trên cột áp mmH 2 O Đĩa chắn Đĩa chắn (N/m 2 ) P3A-P3B P3A-P3B (N/m 2 )

Ta tính toán cụ thể cho lần đo thứ 1.

Ta có:

Với , ta tìm được chuẩn số Reynolds theo bảng 2

Giả sử tại Re = 104 thì CD =

Tương tự như thế ta có bảng giá trị CD theo chuẩn số Re = 105, 106, 107 Tương tự như bảng 2

Vận tốc sơ bộ của dòng chảy qua đĩa chắn:

Tính giá trị Reo theo Vo sơ bộ:

Reo = = 13020

Tương tự các lần đo 2,3,4,5 ta có bảng số liệu

Bảng 9- Kết quả tính giá trị V’o và Reo của ống nhựa D=12.52mm

Lần đo Nhiệt độ (kg/m3) µ.10 3 (m 2 /s) V’ o (m/s) Re o

Tại giá trị Reo = 29988 và tỉ số , ta xác định hệ số hiệu chỉnh CD

CD =

Tính lại vận tốc Vo theo hệ số hiệu chỉnh CD

Tính lưu lượng Q qua đĩa chắn:

Tính vận tốc dòng lưu chất qua ống:

V = = 0.488 (m/s) Tính lại Re theo V và D

=

 chế độ chảy rối Re 4000

Do ống bằng nhựa nên độ nhám = 0, ta xem như gần bằng 1.10-9 Tính chỉ số Regh = 6= 6 = 2.11012

Suy ra: 4000 < Re < Regh nên tính  theo công thức:

Tính tổn thất dọc đường hd:

)

Chuyển tổn thất dọc đường sang chênh lệch cột áp (N/m2):

h’d = hd g = 0.041 9.81 995.68 = 404.930 (N/m2) Tính tương tự cho các lần đo 2,3,4,5 ta có bảng số liệu:

Bảng 10- Kết quả tính toán toán cho ống nhựa D = 12.52mm

Lầ

n

v 0 '

( m / s )

Re o C D

v 0

( m / s )

Q (m 3 /s)

v (m/s

(m)

h’ d

(N/m

2 )

1

0.8

6 2

1302

0 0.602

0.5 1 9

0.000 06 0

0.48

8 7604 0.035 0.041

404 9 3 0 2

0.5

5

0.3 3 2

0.000 03 8

0.31

2 4955 0.040 0.019

187 6 9 3 3

0.4

8

0.2 9 4

0.000 03 4

0.27

6 4389 0.041 0.016

152 9 7 7 4

0.7

0 8

1090

6 0.602

0.4 2 6

0.000 04 9

0.40

1 6371 0.037 0.029

287 2 5 8

1.1

6

9

1801

0 0.602

0.7 0 3

0.000 08 1

0.66 1

105 1 3

0.03

2 0.069

676 7 0 3

400 800 1200 1600 2000

Thực tế

Lưu lượng (m3/h)

Vẽ đồ thị:

Hình 3- Đồ thị biểu diễn sự phụ phụ thuộc tổn thất dọc đường theo lưu lượng của ống nhựa

(D=12.52mm)

Nhận xét:

Độ chênh lệch cột áp tính toán thấp hơn so với độ chênh lệch cột áp đo được Khi lưu lượng dòng chất lỏng tăng thì tổn thất dọc đường cũng tăng

Ở mức lưu lượng 0.000081 m3/s thì tổn thất của lý thuyết là 676.703 N/m2 còn tổn thất đo được là 1834.470 N/m2 Tổn thất thực tế cao hơn tổn thất lý thuyết là 1157.767

N/m2

Khi lưu lượng dòng chảy qua ống tăng thì tổn thất dọc đường cũng tăng theo Vì tổn thất dọc đường tỉ lệ thuận với bình phương lưu lượng

Ta thấy, tổn thất cột áp đo được có chênh lệch so với tổn thất cột áp theo tính toán

Nguyên nhân là do:

+ Trong quá trình tính toán ta làm tròn số nhiều lần

+ Khi xác định độ chênh cột áp tại đĩa chắn, do lưu lượng không ổn định và thay đổi

trong một khoảng rộng nên ta xác định giá trị tương đối chưa chính xác

+ Tại đĩa chắn có bị tổn thất nhưng ta bỏ qua

+Hệ số ma sát chỉ mang tính tương đối, chưa chính xác

+Đường kính ống không chính xác do cặn ở đáy đường ống làm giảm vận tốc dòng chảy

000.000 000.000 000.000 000.000 000.000 000.001 000.001 000.001 100

400

700

1000

1300

1600

1900

Ống thép không gỉ (D=24.64mm) Ống nhựa (D=15.8mm) Ống nhựa (D=12.52mm)

Lưu lượng (m3/h)

Vẽ đồ thị nhận xét khi có sự thay đổi về chất liệu và đường kính ống.

Hình 4- Đồ thị biểu diễn sự phụ phụ thuộc tổn thất dọc đường theo lưu lượng của ba ống

Nhận xét:

Từ đồ thị ta nhận thấy khi tăng lưu lượng dòng chảy qua ống thì tổn thất cột

áp cũng tăng theo Đường kính càng nhỏ thì tổn thất càng cao

Giải thích:

Lưu lượng dòng chảy tỉ lệ thuận với tổn thất cột áp, đường kính ống tỷ lệ nghịch với tổn thất cột áp

Ta thấy, với ống nhựa D = 15.8mm có mức lưu lượng là 0.000079 và ống nhựa D = 12.52mm có mức lưu lượng là 0.000081, ta xem như mức lưu lượng là

gần bằng nhau thì tổn thất của ống nhựa D = 12.52mm bằng 1834.47 N/m2 lớn hơn gấp gần 4 lần so với D = 15.8mm có tổn thất là 483.633 N/m2

Nếu so sánh tổn thất dọc đường dựa vào chất liệu làm ống thì ống thép không gỉ có tổn thất lớn hơn so với ống nhựa nếu khảo tại cùng một lưu lượng và đường kính ống bằng nhau Vì ống thép không gỉ có độ nhám tuyệt đối bằng 4.6x10-2 mm lớn hơn so với độ nhám của ống nhựa có độ nhám gần bằng 0

2 Đo tổn thất cục bộ

Bảng 11- Kết quả đo tổn thất cục bộ

Lần

đo

Nhiệt

độ ( o C)

Độ chênh lệch cột

áp giữa hai đĩa chắn (mmH 2 O)

Độ chênh lệch cột áp (mmH 2 O)

P4A - P4B P5A - P5B

Chuyển đổi đơn vị từ mmH2O sang Pa (N/m2) và tính toán hcb thực tế, ta có bảng sau:

Bảng 12- Kết quả đo tổn thất cục bộ (N/m2)

Lần đo

Độ chênh lệch cột áp giữa hai đĩa chắn (Pa)

Độ chênh lệch cột áp

P4A - P4B P5A - P5B P4A - P4B P5A - P5B

Ta tính toán cho lần đo thứ nhất:

 Tính lưu lượng dòng chảy Q:

- Từ độ chênh lệch cột áp tại đĩa chắn (mmH2O) ta chuyển sang đơn vị N/m2

- Tính VO bằng công thức

- Từ VO sơ bộ ta tính chuẩn số Reynolds theo công thức

- Dựa vào chuẩn số Reynolds và hệ số hình dạng ống , ta tra được CD theo như bảng 2

- Từ CD ta tính lại VO

VO = Vo sơ bộ x CD = 8.73 x 0.597 = 5.211 m/s

-Từ VO ta tính lưu lượng

 Tính hệ số tổn thất cục bộ :

- Tính tổn thất cục bộ thục tế:

- Tính hệ số tổn thất cục bộ :

 Tính toán tương tự cho các lần đo 2,3,4,5 ta có kết quả thí nghiệm như sau:

Bảng 13- Kết quả tính toán hcb của hai loại co 900 và co 1800

 Giá trị hệ số tổn thất cục bộ trung bình của co 90o: 0.0318

 Giá trị hệ số tổn thất cục bộ trung bình của co 180o: 0.0358

Hệ số tổn thất cục bộ Lầ

n

đo

V(m/s)

lần 2 Co 90 o Co 180 o Q (m 3 /s)

Từ bảng số liệu vẽ đồ thị:

0.04 0.05 0.05 0.06 0.06 0.07

Lưu lượng (m3/s)

Hình 5- Biểu đồ so sánh tổn thất cục bộ ở hai loại co 180o và co 90o theo lưu lượng

Nhận xét:

Tổn thất cục bộ tại vị trí ống thay đổi hướng dòng chảy tăng khi góc thay đổi càng lớn Từ đồ thị và bảng số liệu thực nghiệm, cho thấy rằng tổn thất tại vị trí hướng chảy thay đổi góc 1800 lớn hơn tại vị trí góc 900 Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này là

do hệ số tổn thất cục bộ của co 180O lớn hơn hệ số tổn thất cục bộ của co 90O Trong quá trình chất lưu chuyển động có sự ma sát của các phân tử chất lỏng với thành ống và giữa các phần tử chất lỏng với nhau, đặc biệt ma sát càng lớn hơn khi càng chảy rối (tức là Re càng lớn), và khi chất lưu di chuyển bị đổi hướng thì sự ma sát này tăng làm cho năng lượng trong chất lỏng sẽ bị tiêu hao và biến thành nhiệt tăng, kết quả sự chênh lệch năng lượng trước và sau vị trí đổi hướng tăng hay tổn thất cục bộ sẽ tăng Khi góc thay đổi càng lớn thì sự xáo trộn và ma sát càng tăng dẫn đến tổn thất càng lớn

III Câu hỏi bàn luận

Câu 1: Tại sao cần phải ghi lại số liệu nhiệt độ chất lỏng trong quá trình làm thí nghiệm?

Trong quá trình làm thí nghiệm ta cần phải ghi lại nhiệt độ của dòng chất lỏng vì khối lượng riêng của chất lỏng cũng như độ nhớt của chất lỏng chịu ảnh hưởng bởi nhiệt

độ Nếu không ghi lại nhiệt độ của dòng chất lỏng mà lấy nhiệt độ môi trường thì kết quả tính toán sẽ không chính xác, sai lệch

Câu 2 Các phương pháp hạn chế tổn thất trên đường ống?

Có thể hạn chế tổn thất bằng nhiều cách:

_ Sử dụng ống có độ nhám thấp như ống nhựa, cao su, …

_ Sử dụng ống có đường kính nhỏ

_ Điều chỉnh lưu lượng của lưu chất trong ống thấp

_ Sử dụng đường ống ngắn nhất có thể

_ Hạn chế nối ống, sử dụng van, thay đổi đường kính ống, hay đổi hướng

chuyển động, …

Tuy nhiên, việc sử dụng các biện pháp trên là tùy thuộc vào nhiều yếu tố như: loại

lưu chất cần vận chuyển, lưu lượng cần đáp ứng, và độ bền yêu cầu, nhiệt độ của môi

trường làm việc của ống, chức năng của ống, và yếu tố kinh tế, … Do đó, trên thực tế tùy

vào yêu cầu và mục đích sử dụng cụ thể mà điều chỉnh các yếu tố cho hợp lý, tìm ra điều

kiện tối ưu, để đạt được hiệu quả và năng suất làm việc, đảm bảo độ bền của ống cũng

như an toàn sử dụng

Ngoài ra, trong quá trình sử dụng đường ống nên thường xuyên kiểm tra, vệ sinh

và sửa chữa đường ống, … để tránh hiện tượng ăn mòn, bám bẩn đường ống gây ra tổn

thất làm giảm hiệu suất sử dụng

Câu 3 Tại sao không sử dụng van cầu điều chỉnh lưu lượng mà sử dụng van kim? Tại

sao không đặt van kim sau van cầu?

Van kim có thể điều chỉnh được những mức lưu lượng nhỏ mà van cầu không làm được

và van kim có độ chính xác cao hơn Nếu sử dụng van cầu thì rất khó điều chỉnh lưu lượng ở những mức độ nhỏ vì van cầu chỉ có một cửa đóng mở 90o

Van kim đặt sau sẽ phù hợp hơn Nếu đặt van kim trước van cầu thì khi điều chỉnh lưu lượng nhỏ có thể gây ra hiện tượng thiếu nước làm giảm tiết diện mặt cắt ướt trong ống, ta sẽ rất khó để xác định được diện tích mặt cắt ướt trong trường hợp này