Báo cáo thí nghiệm quá trình và thiết bị công nghệ bài 1 mạch lưu chất

Báo cáo thí nghiệm Quá trình và Thiết bị công nghệ BÀI 1 MẠCH LƯU CHẤT SVTH Trần Ngọc Bảo Trân MSSV 61502031 1 MỤC ĐÍCH Khảo sát sự chảy của nước ở phòng thí nghiệm trong một hệ thống ống dẫn có ống d[.]

Báo cáo thí nghiệm Quá trình và Thiết bị công nghệ

BÀI 1 MẠCH LƯU CHẤT SVTH: Trần Ngọc Bảo Trân MSSV: 61502031

1 MỤC ĐÍCH

Khảo sát sự chảy của nước ở phòng thí nghiệm trong một hệ thống ống dẫn có ống dẫn 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 LÍ THUYẾT

2.1 Lưu lượng kế màng chắn và venturi

Nguyên tắc : dùng sự giảm áp suất của lưu chất khi chảy qua chúng

để đo lưu lượng

Vận tốc trung bình được tính từ công thức tổng kê năng lượng:

V2 = C√γ(1−β ∆ P 4

Trong đó :

C: màng chắn venturi , nó tùy thuộc vào chế độ chảy Re

∆ P: độ giảm áp suất qua màng chắn hay venturi, N/m2

γ: trọng lượng riêng của lưu chất , N/m3

β=d 2 d 1 : tỉ số giữa đường kính cổ venturi hay đường kính lỗ màng chắn trên đường kính ống

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)

(4)

Hf : thủy đầu tổn thất ma sát trong ống, m

 Tổn thất năng lượng: Hf = f LV

2

f : hệ số ma sát , vô thứ nguyên

L : chiều dài ống, m

D: đường kính ống , m

a) Chế độ chảy tầng

 Tổn thất ma sát : Hf = 32 μlVlV

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

f = 64 μlV DVρ=64

b) Sự chảy rối

 Hệ số ma sát f tùy thuộc vài Re và độ nhám của ống (D ϵ ¿ Độ nhám tương đối của ống là tỷ số giữa độ nhám thành ϵ trên đường kính ống D

 Công thức tính trở lực cục bộ:

∆ P cb=f l td v

2

l td : chiều dài tương đương của cút ,van, Chiều dài tương đương được định nghĩa như chiều dài của 1 đoạn ống thẳng có cùng tổn thất năng lượng tại van , cút như 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:

So sánh 2 vế của (8) và (9)

=> từ đó =>

3 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

3.1 Sơ đồ thí nghiệm

3.2 Dụng cụ thí nghiệm

Thì kế để tính thời gian

Số liệu kích thước 4 ống dẫn bằng inox:

ống

Đường kính ngoài (mm) Đường kính trong (mm)

Độ nhám e = 0,000005

Màng chắn : lối vào : 40 mm đường kính lỗ : 17 mm

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

4 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

Độ mở van 8 luôn để cố định

4.1 Trắc định lưu lượng kế màng chắn và venturi

- Mở van 9 cho nước vào bình đến vạch tối đa ( 1cm tương đương 1 lít)

- Mở hoàn toàn van 4,5 ;đóng van 6,7 ;mở 2 van ở 2 nhánh áp kế của màng chắn và venturi

- Cho bơm chạy và từ từ mở van 6 sau đó khóa lại và kiểm tra mức nước trong cột áp kế màng chắn và venturi có bằng nahu chưa Nếu các cột chất lỏng bằng nhau trong từng nhánh ( của màng và

venturi ) chúng ta tiến hành làm thí nghiệm Còn nếu chưa bằng thì tiếp tục mở ,đóng van 6

- Khi mức chất lỏng trong cột của màng chắn và venturi đã bằng nhau , ta tiến hành làm thí nghiệm

- Ta chọn lưu lượng trước tùy ý ( ghi vào bảng 1) Từ từ mở van 7, ứng mỗi độ mở của van 7 với lưu lượng đã chọn 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 mở van 9 cho nước vào bình chứa Lặp lại thí nghiệm 1từ 2 đến 3 lần

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

a) Ống A

Khóa van 6,7 mở van 9 cho nước chảy vào đầy bình chứa , mở 2 van ở

2 nhành 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 mỗi

độ mở của van 6 ta đọc độ giảm áp màng chắn và ống A ở độ dài k = 1,5m Van 6 điều chỉnh đến độ mở tối đa

b) 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 hoặc 2 hoặc 1 tùy loại ống

c) 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 cuả 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 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

¾ đã xong Tiếp tục khóa van số 5 một vòng ½ ta sẽ thu được độ mở

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

Trở lực theo độ mở của van :

5 KẾT QUẢ

 Thí nghiệm 1:

STT Chế độ mở W(lít) t (s) ∆Pm (cm H2O) ∆Pv(cm H2O)

Tính hệ số màng chắn và venturi:

- Khối lượng riêng của nước:  = 995 kg/m3

- Độ nhớt của nước: μ = 0.0008 Ns/m2

- Trọng lượng riêng của nước: γ = ρ.g = 995.9,81 = 9760.1 N/m3

- Gia tốc trọng trường: g = 9,81 m/s2

 Lưu lượng dòng chảy là: Q= W

t = 166 =0,375 L/s

 Ta có: ∆ P m

ρg =

∆ P m∗98

ρg ∗100=

10,5∗98 995∗9.81∗100=10,54 cm H2O

 Ta có: ∆ P v

ρg =

∆ P v∗98

ρg ∗100=

8∗98 995∗9.81∗100=8 , 032 cm H2O

 Vận tốc qua màng chắn và venturi

V = 4 Q

π d2=

4∗0.375 1000 3,14∗0.0172=1,653 m/s=165,3 cm/ s

(với d = 17 mm: đường kính lỗ của venturi và màng chắn)

 Chuẩn số Reynolds:

ℜ=ρVd

μlV =

995∗1,653∗0,017 0,0008 =34950,62

 Hệ số của màng chắn:

C m=V√γ(1−β4

)

2 g ∆ P m =1,653∗√9760.95∗¿ ¿ ¿

 Hệ số của venturi:

C v=V√γ(1−β4)

2 g ∆ P v =1,653∗√9760.95∗¿ ¿ ¿

Tính toán tương tự như trên cho các chế độ

mở khác ta thu được kết quả như sau:

0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38

0

2

4

6

8

10

12

14

f(x) = 37.26 x − 5.85 R² = 0.51

f(x) = − 0.39 x + 10.88 R² = 0

Linear () Linear ()

m

ở

W

(lit) t (s)

Q (lit/

s)

Δ Pm

H2O)

ΔPv ρg

(cmH2O)

HT

2

11,1 9

12,8 2

¾

0,343

32032,7 8

10,7 9

13,4 2

½

1

10,6 9

13,7 1

¼

75

11,7 6

16,2 2

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Q với hiệu của

Δ Pm

Δ Pv ρg

 Thí nghiệm 2:

STT ∆Pm (theo ống A) ∆P ống A

STT ∆Pm (theo ống B) ∆P ống B

STT ∆Pm (theo ống C) ∆P ống C

4 4 7

STT ∆Pm (theo ống D) ∆P ống D

Tính thừa số ma sát trong ống dẫn

 Ống A:

Ở chế độ mở hoàn toàn:

Ta có: ∆ P m

ρg =

∆ P m∗98

ρg ∗100=

10,5∗98 995∗9.81∗100=10,54 cm H2O

Ta có: ∆ P v

ρg =

∆ P v∗98

ρg ∗100=

8∗98 995∗9.81∗100=8,032 cm H2O

Từ kết quả tính toán trong thí nghiệm 1 ta vẽ được đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Q và

Δ Pm

ρg , phương trình biểu diễn mối quan hệ

giữa chúng là:

Q = -0,3897

Δ Pm

ρg + 10,875

- Lưu lượng: Q = -0,3897*10,54 + 10,875= 6,767 (lít/s)

- Vận tốc dòng: V = 4 Q

π d2=

4∗6,767 1000 3,14∗0.0292=10,25

m

s=1025 cm/ s

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

Thừa số ma sát trong ống A: f = 2 ∆ P g d

L V2 =2∗1∗9.81∗0.029∗100

1.5∗10252 =0,000036

(với L=1.5m: chiều dài của ống A)

 Chuẩn số Reynolds:R e= ρVd

100 μlV=

995∗10,25∗0,017 100∗0,0008 =2167,23

-Tính tương tự như trên cho các độ mở khác nhau của ống A ta

được kết quả thể hiện trong bảng số liệu sau:

Chế

độ

mở

ΔP

ρg ( cm

H2O)

ΔPm

H2O)

Q

HT

¾

½

¼

 Ống B:

Chế độ

mở

ΔP

ρg ( cm

H2O)

ΔPm

H2O)

Q (lít/s) V(cm/s) f Re HT

¾

1900

1950

2000

2050

2100

2150

2200

2250

2300

2350

Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa f theo Re của ống A

¼

 Ống C:

Chế độ

mở

ΔP

ρg ( cm

H2O)

Δ Pm

H2O)

Q (lít/s) V(cm/s) f Re HT

¾

½

¼

2250

2300

2350

2400

2450

2500

Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa f theo Re của ống B

2500

2600

2700

2800

2900

3000

3100

Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa f theo Re của ống C

 Ống D:

Chế độ

mở

ΔP

ρg ( cm

H2O)

Δ Pm

H2O)

Q (lít/s) V(cm/s) f Re HT

¾

0,000

½

¼

 T hí

nghiệm 3:

STT Chế độ mở ∆Pm (cm H2O) ∆Pvan (cm H2O)

- Ta có: ∆ P m

ρg =

∆ P m∗98

ρg ∗100=

15,1∗98 995∗9.81∗100=15,16 cm H2O

3000

3050

3100

3150

3200

3250

3300

Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa f theo Re của ống D

- Ta có: ∆ P v

ρg =

∆ P v∗98

ρg ∗100=

4,5∗98 995∗9.81∗100=4,52 cm H2O

- Lưu lượng: Q = -0,3897*15,16 + 10,875 = 4,97 lít/s

- Vận tốc dòng:V = 4 Q

π d2=

4∗4,97 1000 3,14∗0.042=3,957 m/s=3 95,7 cm/s

- V2

2 g=

3,9572

2∗9.81=0.798

- Chuẩn số Reynolds : ℜ=ρVd

μlV =

995∗3,957∗0,04 0,0008 =196860,75

- Từ thí nghiệm 2 ta vẽ được đồ thị quan hệ giữa f và Re Phương

trình biểu diễn mối quan hệ giữa chúng là:

f = -10-6.Re + 0.0385

- Thừa số ma sát: f = -10-6.Re + 0.0385 = -10-6*16073 + 0.0113 =

0.0177

- Chiều dài tương đương:l e=ξd

f =

0.04∗0.04 0.0177 =0.09

(với ξ = 0.04 ứng với trường hợp ống mở hoàn toàn, d= 40mm:

đường kính ống)

Độ

mở

Δ Pvan

ρg

(cmH2O)

Δ Pm ρg

(cmH2O )

Q (lít) V (cm/s) V2/2g f Re l e

HT 4,52 15,16 4,97 3,957 0.798 0.0177 196860,75 0.09

¾ 5,12 15,36 4,89 3,893 0.772 0.0175 193676,75 0.091

0.350 5 10 15 20 25

0.36

0.37

0.38

0.39

0.4

0.41

Đồ thị đặc tuyến riêng và đặc tuyến van gắn vào mạng ống

IV: Bàn luận

1.Nhận xét các giản đồ và so sánh kết quả:

 So sánh C m và C v : V= (1 )4

P C





Đường kính của màng chắn và venturi bằng nhau do đó lưu lương của chúng bằng nhau

Cấu tạo của màng chắn và venturi là khác nhau Màng chắn thay đổi kích thước đột ngột hơn nên tổn thất áp suất lớn hơn venturi  Cm <

Cv

Kết quả thí nghiệm cho thấy kết luận trên là đúng

 Sự phụ thuộc của C m và C v theo Re :

Theo phương trình trên, hệ số lưu lượng tỉ lệ thuận với vận tốc dòng chảy và tỉ lệ nghịch với P Re tăng kéo theo P tăng do đó C tăng hay giảm phụ thuộc vào mức độ tăng nhiều hay ít của Re và P

 So sánh lưu lượng kế màng và venturi :

Do P m > P v nên khi sử dụng lưu lượng kế venturi sẽ cho kết quả lưu lượng chính xác hơn

Thừa số ma sát trong ống dẫn:

- Chế độ chảy màng (Re < 2320): hệ số ma sát không phụ thuộc vào độ nhám mà chỉ phụ thuộc vào chế độ chuyển động và hình dạng mặt cắt ngang của ống λ=

A

Re

- Chế độ chảy quá độ ( 2320 < Re < 4000): Re=0.3164 /Re0 025

- Chế độ chảy xoáy (Re4000): Regh≈6( dtd/ε)9 /8

Giản đồ hệ số ma sát theo Re : gồm có 2 vùng:

+ 5000 < Re < 30000 : hệ số ma sát giảm khi Re tăng Theo lý thuyết, do D



không đổi nên đường biễu diễn f theo Re không phụ thuộc chiều dài ống nhưng thực nghiệm cho thấy chiều dài ống cũng ảnh hưởng đến f Điều này có thể giải thích là do độ nhám của ống kh6ng đều không suốt chiều dài ống, do đóng cặn…

Trong vùng này f có thể được tính theo công thức Re = Re1/4

316 0

nhưng sai số khá lớn so với thục nghiệm bởi vì điều kiện tiến hành thí nghiệm không không hoàn toàn giống nhau, ống trong phòng thí nghiệm có thể bị đóng cặn, rỉ sét, do quá trình xác định tổn thất cột

áp không chính xác…

+ Re > 30000 : hệ số ma sát hầu như không đổi khi Re tăng

c.Thí nghiệm 3 : Chiều dài tương đương của van:

 Giản đồ Q theo độ mở của van ở một vài áp suất :

Theo đồ thị ta thấy, ứng với một giá trị tổn thất cột áp nhất định, lưu lượng tăng theo độ mở của van

 Chiều dài tương đương của van :

Độ mở của van cũng ảnh hưởng đến chiều dài tương đương của van

Độ mở càng lớn, khả năng cản trở dòng chảy càng nhỏ, chiều dài tương đương càng bé Chiều dài tương đương nhỏ nhất khi van mở hoàn toàn

2.Nhận xét về mức độ tin cậy của kết quả:

- Các giá trị tổn thất cột áp xác định bằng mắt và dao động liên tục nên kết quả thu được có sai số

- Một vài số liệu xác định được là do kết quả của thí nghiệm trước nên sẽ dẫn đến hiện tượng sai số được lặp lại nhiều lần

Nguyên nhân sai số:

- Các ống dẫn trong thí nghiệm bị đóng cặn

- Sự hoạt động không ổn định của bơm

- Sự gỉ sét không đồng đều bên trong ống dẫn đến độ nhám thành ống không đều

- Độ mở của các van không đồng nhất giữa các lần thí

nghiệm

- Trong lúc thí nghiệm, ống bị rò rỉ

- Do người đo chưa có kĩ thuật, sai số trong tính toán

Khắc phục những nguyên nhân sai số ấy bằng những cách sau:

- Đo nhiều lần để lấy kết quả có sai số ít nhất

- Tính toán cẩn thận

- Thường xuyên bảo trì, kiểm tra máy móc

3.Dựa trên giản đồ đo được đề nghị mục đích sử dụng của van:

Thực nghiệm cho thấy đặc tuyến van có dạng lõm như trên giản đồ nên đây là van cầu, được sử dụng khi cần lưu lượng nhỏ và khi muốn điều chỉnh lưu lượng tăng hoặc giảm với lượng nhỏ Điều chỉnh lưu lượng chất lỏng nhờ vào từng độ mở của van và nhờ đó có thể giảm được trở lực ma sát và trở lực cục bộ, và giảm tổn thất năng lượng

Do có hiện tượng giảm áp suất của lưu chất khi chảy qua van nên ngoài chức năng thay đổi lưu lượng dòng chảy, van còn được sử dụng làm van tiết lưu trong các hệ thống khác