Báo cáo bài 1 mạch lưu chất

Bài 1 MẠCH LƯU CHẤT 1 MỤC ĐÍCH Khảo sát sự chảy của nước ở phòng thí nghiệm trong 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 c[.]

Bài 1: MẠCH LƯU CHẤT

1 MỤC ĐÍCH

Khảo sát sự chảy của nước ở phòng thí nghiệm trong 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

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lưu lượng kế màng chắn và venturi

Nguyên tắc hai dụng cụ này là sự giảm áp suất của lưu chất khi chảy qua chúng để đo lưu lượng

Hình 1.1: Lưu lượng kế venturi và màn chắn

Vận tốc trung bình ở vị trí (2) được tính theo công thức tổng kê năng lượng:

Trong đó:

C: hệ số của màng chắn Venturi, nó tùy thuộc vào chế độ chảy Re

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

: Trọng lượng riêng của lưu chất, N/m3

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

Do đó lưu lượng qua màng chắn hay Venturi:

Q=V2A2=V1A1 (2)

2.2 Tổn thất năng lượng do sự chảy của ống dẫn

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

Từ phương trình Bernoulli ta có:

(3)

: thủy dầu tổn thất ma sát trong ống, m

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

(5) f: hệ số ma sát, vô thứ nguyên

L: chiều dài ống, m

D: đường kính ống, m

a) Trong chế độ chảy tầng

Tổn thất ma sát được tính theo công thức sau:

(6)

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

b) Đối với sự chảy rối

Hệ số ma sát f tùy thuộc vào Re và độ nhám tương đối của ống ( ) Độ nhám tương đối của ống là tỷ số giữa độ nhám thành 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 dụng giản đồ f theo Re và ( ) (giản đồ Moody)

Ngoài sự mất mát năng lượng do ma sát trong ống dẫn nối 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 bô như sau:

(8)

Với : 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:

(9)

So sánh 2 vế của công thức (8) và (9) ta có:

(10)

3 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

3.1 Sơ đồ thí nghiệm:

Hình 3.1: Sơ đồ thí nghiệm 3.2 Dụng cụ thí nghiệm:

Số liệu kích thước 4 ống dẫn bằng inox:

Độ nhám e = 0,000005

Màng

chắn:

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

4 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM:

Trước khi làm thí nghiệm cần tuân thủ theo chỉ dẫn: Độ mở van 8 luôn để cố định

4.1 Trắc định lưu lượng kế màn chắn và venturi

1) Mở van 9 cho nước vào bình đến vạch tối đa (1cm trên vạch tương đương là 1 lít) 2) Mở hoàn toàn van 4, 5; đóng van 6, 7; mở 2 van ở 2 nhánh áp kế của màng chắn và venturi

3) Cho bơm chạy từ từ mở van 6 sau đó khóa lại và kiểm tra mức nước trong cột áp kế màng và venturi có bằng nhau chưa Nếu các cột chất lỏng bằng nhau trong từng nhánh (của màng và venturi) chúng ta tiến hành thí nghiệm Còn nếu chưa bằng nhau thì tiếp tục

mở, đóng van 6

4) Khi mức chất lỏng trong cột áp của màng chắn hay venturi bằng nhau, ta tiến hành làm thí nghiệm

5) Ta chọn lưu lượng tùy ý (ghi vào bảng 1) Từ từ mở van 7, ứng với mỗi độ mở van

7 với lưu lượng đã cho ta đọc cột áp của venturi, màng chắn và thời gian Khi hết nước trong bình chứa phải đóng lại van 7, mở van 6 và van 9 cho nước vào bình chứa Lặp lại thí nghiệm 1 từ 2 đến 3 lần

4.2 Thiết lập giản đồ f theo Re cho ống A, B, C, D và van số 5

a) Cho ống A

Khóa van 6,7; mở van 9 cho nước chảy vào đây bình chứa, mở van 2 ở hai nhánh áp

kế của ống A Kiểm tra mức nước trong cột áp kế ống A, nếu mức nước bằng nhau thì ta tiến hành thí nghiệm Dùng van 6 để chỉnh lưu lượng (giống chỉnh van 7 trong thí nghiệm 1) Ứng với mỡi độ mở van 6 ta đọc độ giảm áp của màng chắn và ống A ở độ dài k = 1,5m Van 6 chỉnh đến độ mở tối đa

b) Cho ống B, C, D

Thao tác tương tự thí nghiệm cho ống A, thay vì mở van 4 thì lúc này ta mở van 3 hay

2 hay 1 tùy loại ống

c) Cho van số 5:

Van số 5 vẫn để mở hoàn toàn Dùng van 6 để chỉnh lưu lượng giống thí nghiệm trên, ứng với mỗi độ mở van của van 6 ta đọc độ giảm áp của màng và van Xong thí nghiệm với độ mở hoàn toàn ta đóng lại van số 5 một vòng ½ sẽ có được độ mở ¾, rồi tiếp tục đo như trên; khi nào mở hết cỡ van 6, lúc đó độ giảm áp của màng và van không thay đổi nghĩa là đo độ mở ¾ đã xong Tiếp tục khóa van số 5 một vòng ½ ta sẽ được độ mở là ¼

rồi tiếp tục đo Như vậy ta đã thí nghiệm xong với 4 độ mở khác nhau của van số 5: mở hoàn toàn, mở ¾, mở ½ và độ mở ¼

Trở lực theo độ mở của van như sau:

Bảng 4.1: Trở lực theo độ mở của van

5 TÍNH TOÁN

5.1 Kết quả thí nghiệm:

a) Thí nghiệm 1:

Bảng 5.1: Số liệu thu được ở thí nghiệm 1

b) Thí nghiệm 2:

Ống A:

Bảng 5.2: Số liệu thu được ở thí nghiệm 2 - ống A

Chế độ mở ΔPm (cm H2O) ống A ΔP ống A (cm H2O)

Ống B:

Bảng 5.3: Số liệu thu được ở thí nghiệm 2 - ống B

Chế độ mở ΔPm (cm H2O) ống B ΔP ống B (cm H2O)

Ống C:

Bảng 5.4: Số liệu thu được ở thí nghiệm 2 - ống C

Chế độ mở ΔPm (cm H2O) ống C ΔP ống C (cm H2O)

Ống D:

Bảng 5.5: Số liệu thu được ở thí nghiệm 2 - ống D

Chế độ mở ΔPm (cm H2O) ống D ΔP ống D (cm H2O)

¼ 2.0 10.0

c) Thí nghiệm 3:

Bảng 5.6: Số liệu thu được ở thí nghiệm 3 – van 5

Chế độ mở van 5 ΔPm (cm H2O) ΔP van (cm H2O)

* Kết quả tính toán:

Ta có:

Q=W t (lít/s) = 166 = 0,375 lít/s

Q= V1A1=V2A2

V1= V2 vì van và cút có tiết diện giống nhau, A1=A2 đường kính lỗ màng chắn và đường kính cổ venturi bằng nhau (17mm), lối vào màng chắn và lối vào venturi bằng nhau (40mm)

 V=

4 Q

1000

π ( d

1000)2= 4 0,3751000

π ( 17

1000)2= 1,652 m/s

Sau khi tính V ta tìm Re theo công thức: Re= V D ❑ =1,652 171000.996

0,000804 =¿ 34791 Với ρ = 996 kg/m3

g = 9,81 m/s2

μ = 0,000804 Ns/m2

D= 17 mm = 0,017m : đường kính lỗ của màng và đường kính cổ venturi Tính Cm và Cv từ công thức:

V= C√ 2 gP

(1− ❑ 4 )  C=

V

(1− ❑ 4 )

Cm=

1,652

√ 2.9,81.10,5.98,1

9770,76.[1−(17

40)4

] = 1,130

Cv=

1,652

√ 2.9,81 8,0.98,1

9770,76.[1−(17

40)4

] = 1,294

C: hệ số của màng chắn hay Venturi, nó tùy thuộc vào chế độ chảy Re

∆P: Độ giảm áp suất qua màng chắn hay Venturi, N/m2 Ta sẽ đổi từ cm H2O về N/m2

10 mH2O = 9.81*10^4 N/m2

1 cmH2O= 98.1 N/m2

= 9770,76 N/m3: Trọng lượng riêng của lưu chất

= Tỉ số giữa đường kính cổ Venturi hay đường kính lỗ màng chắn trên đường kính ống

Tương tự ta tính và được kết qua trong bảng sau:

Bảng 5.7: Kết quả tính thí nghiệm 1

Δ P m

ρ g

Δ P v

ρ g

4.5 14 0.321 11.546 7.028 29783 0.924 1.185

Dựa vào bảng số liệu ta vẽ đồ thị thể hiện mối quan hệ của , , ΔP với Q, từ đó

ta lập được phương trình : y= 0.01x + 0.1832 (hình 5.1)

 Thừa số ma sát trong ống dẫn:

Xét ống A mở hoàn toàn:

Ở chế độ mở hoàn toàn:

- Từ Cm tìm được ở thí nghiệm 1 và ΔP m ở thí nghiệm 2, dùng công thức sau ta tìm

được Q :

y= -0.0002x + 0.3436 (L/s)

- Vận tốc dòng: V=

4 Q

πd2 (m/s)

(với d=29mm: đường kính trong của ống A)

- Thừa số ma sát trong ống A: f =

ΔP.2 g.d

LV 2

( với L=1.5m: chiều dài của ống A)

- Chuẩn số Reynolds: Re =

ρVd μ

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

Sô liệu kích thước cho mỗi loại ống thí nghiệm:

Bảng 5.8: Kích thước cho mỗi loại ống

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

Δ P m

ρ g

Δ P v

ρ g

Ống A:

Bảng 5.9: Kết quả tính ở ống A.

Ống B:

Bảng 5.10: Kết quả tính ở ống B.

Ống C:

Bảng 5.11: Kết quả tính ở ống C

Chế độ

mở

(cm H2O)  (cm H2O)

Ống D:

Bảng 5.12: Kết quả tính ở ống D.

Chế độ

mở

(cm H2O)  (cm H2O)

¼ 2.008 10.04 0.203 141.82 0.0088 23718

 Thí nghiệm số 3: van 5:

Ở chế độ van 5 mở hoàn toàn và van 6 mở hoàn toàn:

- Từ Cm tìm được ở thí nghiệm 1 và ΔP m ở thí nghiệm 2, dùng công thức sau ta tìm

được Q :

Y = -0.0002x + 0.3436 (L/s)

- Vận tốc dòng: V=

4 Q

πd2

(m/s)

- Chuẩn số Reynolds : Re=

ρVd μ

Chiều dài tương đương: le =

ξd

Bảng 5.13: Kết quả tính ở van 5.

Độ mở (cm H 2 O) (cm H 2 O)  Q (L/s) V (cm/s) V (m)2/2g f Re l e

5.2 Đồ thị:

Δ Pm

ρg

ΔP ρg

0 2 4 6 8 10 12 0.3

0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38

f(x) = − 0.000241234858437051 x + 0.343591525775475Δ Pm/ρg

Linear (Δ Pm/ρg)

Δ Pv/ρg

Δ P

Δ P (cm H2O)

Hình 5.1 Giản đồ lưu lượng Q với hiệu số thủy dầu áp suất.

Giản đồ hệ số lưu lượng kế Cm và Cv theo Re:

29000 30000 31000 32000 33000 34000 35000 0.8

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Cm Cv

Hình 5.2 Giản đồ hệ số lưu lượng kế Cm và Cv.

Với ống A:

15000 15200 15400 15600 15800 16000 16200 16400 0.0175

0.02 0.0225 0.025 0.0275

f(x) = 8.80529094935985E-07 x + 0.00761364588217443 R² = 0.0162360913235052

A

Re

Hình 5.3 Giản đồ f-Re ở ống A.

Với ống B:

18000 18200 18400 18600 18800 19000 19200 19400 19600 19800 20000 0.02

0.021 0.022 0.023 0.024 0.025 0.026 0.027 0.028 0.029

f(x) = 1.66473093302361E-06 x − 0.00833058459156016 R² = 0.0499500229624226

B

Re

Hình 5.4 Giản đồ f-Re ở ống B.

Với ống C:

27000 28000 29000 30000 31000 32000 33000 34000 35000 0.02

0.022

0.024

0.026

0.028

0.03 0.032

f(x) = 4.03404171238602E-07 x + 0.0144180379832621 R² = 0.0677916921570916

C

Re

Hình 5.5 Giản đồ f-Re ở ống C.

Với ống D:

23400 23600 23800 24000 24200 24400 24600 24800 25000 0.0076

0.0078 0.008 0.0082 0.0084 0.0086 0.0088 0.009

f(x) = 1.05146958512528E-08 x + 0.00817008697113015 R² = 0.000327020937047173

D

Re

Hình 5.6 Giản đồ f-Re ở ống D.

Độ mở van:

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 0.324

0.326 0.328 0.33 0.332 0.334 0.336

0.338

0.335 0.337

0.329

f(x) = 0.012 x + 0.324666666666667 R² = 0.519230769230769

Độ mở van 5

Hình 5.7 Giản đồ Q- độ mở van.

Đặc tuyến van:

0.328 0.329 0.33 0.331 0.332 0.333 0.334 0.335 0.336 0.337 0.3380 1

2 3 4 5 6 7 8 9

10

f(x) = − 615.384615384615 x + 211.7 R² = 0.880693546167607

Đặc tuyến van

Q

Hình 5.8 Giản đồ ΔPvan - Q 5.3 Bàn luận:

Nhận xét:

a) Thí nghiệm 1: Hệ số lưu lượng kế C m và C v theo chế độ chảy (Re)

- So sánh C m và C v :

Ta có:

V =C√ 2gΔP

γ(1− β4 )

Theo lý thuyết, với đường kính lỗ và đường kính màng bằng nhau nên V2 và β của 2 thiết bị 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

- Sự phụ thuộc của C m và C v theo Re

Re tăng kéo theo ∆P tăng 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 venturi

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:

- Giản đồ Q theo độ mở của van:

Ta nhận thấy lưu lượng thay đổi theo độ mở của van

- Chiều dài tương đương:

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 là kết luận đúng

* Các nguyên nhân gây sai số

- Các giá trị dao động liên động nên kết quả thu được có sai số

- Các ống dẫn có độ ma sát không đồng nhất, bị rỉ sét, đóng cặn Ngoài ra còn do bị rõ

rĩ chất lỏng dọc đường ống nên gây ra tổn thất năng lượng

- Do dùng mắt để đọc các giá trị tổn thất cột áp, độ chênh lệch áp suất nên dẫn đến sai sót

- Độ mở của van có thể bị sai lệch giữa các lần làm thí nghiệm

- Điều kiện ở phòng thí nghiệm có thể không đồng nhất giữa các lần làm thí nghiệm

- Hoạt động của bơm không ổn định

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO

- [1] Giáo trình “Hướng dẫn thí nghiệm Quá trình và Thiết bị công nghệ”

- [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

7 PHỤ LỤC

Bảng số liệu thô