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

Báo Cáo Thí Nghiệm Quá Trình & Thiết Bị Bài 1 Mạch Lưu Chất A Phần I TRÍCH YẾU I Mục đích thí nghiệm Khảo sát sự chảy của nước ở phòng thí nghiệm trong 1 hệ thống ống dẫn có đường kính khác nhau và có[.]

Báo Cáo Thí Nghiệm Quá Trình & Thiết Bị

Bài 1: Mạch Lưu Chất

A

Phần I : TRÍCH YẾU

I Mục đích thí nghiệm: Khảo sát sự chảy của nước ở phòng thí nghiệm trong 1 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

II Nội dung thí nghiệm:

- Trắc định lưu lượng kế màng chắn và venturi

- Thiết lập giản đồ f theo Re cho ống A, B, C, D và van số 5 theo từng độ mở của van

III Nhiệm vụ của bài thí nghiệm:

- Xác định các thông số độ giảm áp của ống A, B, C, D khi k =1.5m và độ giảm áp của màng

- Xác định thông số của van số 5: độ giảm áp của màng và van

- Vẽ các giản đồ:

+ Lưu lượng Q đối với hiều suất thủy dầu áp suất

ΔPP m ρgg và

ΔPP v ρgg qua màng chắn và ống venturi

+ Hệ số lưu lượng kế C m và C

v theo Re

+ Thừa số ma sát theo Re

+ Lưu lượng Q theo độ mở của van ở một vài áp suất

+ Đặc tuyến riêng và đặc tuyến van gắn vào mạng ống này

IV Cơ sở lý thuyết của thí nghiệm:

1 Lưu lượng kế màng chắn và venture:

Nguyên tắc của 2 dụng cụ này là dùng sự giảm áp suất của lưu chất khi chảy qua chúng để đo lưu lượng

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

V2=C√γ(1− β ΔPP 4)

Trong đó:

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

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

γ Trọng lượng riêng của lưu chất, N/m3

β= d2

d1 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=V2 A2=V1 A1

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 1 ống tròn đều nằm ngang

Từ phương trình Bernoulli ta có:

(− ΔPP)

ρgg +

ΔP(αVV2)

2 g + ΔPZ+H1=0

Vì

ΔP(αVV2)

2g =0 và ΔP Z = 0

=> H f=(−ΔPP)

ρgg

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

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

Hf= f LV

2

2 gD

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 được tính theo công thức sau:

H f=32 μ lV

gD 2 ρg

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

f = 64 μ

DV ρg =

64

Re

B Chế độ chảy rối:

Hệ số ma sát f tùy thuộc vào Re và độ nhám tương đối (D ε) Độ nhám tương đối của ống là tỷ

số giữa độ nhám thành ε 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 (D ε ) (giản đồ Moody).

Ngoài sự mất mát năng lượng do mát trong ống dẫn nói 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 bộ như sau:

ΔPP cb=f l tđ v

2

2 gD

Với l tđ : chiếu 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 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:

ΔPPcb= ξ v

2

2g

So sánh 2 vế của công thức trên ta có:

ξ=f l tđ

D

Từ đó ta có: ltđ= ξ D

f

B Phần II: THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHHIỆM

I Sơ đồ hệ thống thí nghiệm:

Dụng cụ thí nghiệm:

Thì kế để tính thời gian

Số liệu kích thước 4 ống dẫn bằng inox:

Loại 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: 40 mm đường kính cỗ: 17 mm

II Phương pháp thực hành thí nghiệm trong thực tế:

Độ mở van 8 luôn để cố định

1 Trắc định lưu lượng kế màng chắn và Venturi

Mở van 9 cho nước vào bình đến vạch tối đa

Mở hoàn toàn van 4, 5 đóng van 6, 7 mở 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 nhau chưa

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

Chọn lưu lượng nước tùy ý, từ từ mở van 7, ứng với mỗi độ mở van 7 với lưu lượng đã chọn đọc cột áp của Venturi và màng chắn, thời gian Khi hết nước trong bình chứa phải đóng van 7, mở van 6, 9 cho nước vào bình chứa

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

Khóa van 6, 7, mở van 9 cho nước chảy vào đầy bình chứa, mở 2 van ở 2 nhánh áp kế của ống

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

Tương tự thí nghiệm cho ống A, thay vì mở van 4 thì mở van 3 hoặc 2 tùy loại ống

Van 5 để mở hoàn toàn, dùng van 6 chỉnh lưu lượng, ứng với mỗi độ mở của van 6 ta đọc độ giảm áp của mảng và van

Xong thí nghiệm với độ mở hoàn toàn Đóng lại van 5 một vòng ½ sẽ được độ mở 3/4 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 sẽ được độ mở 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 mở ¼

Trở lực theo độ mở của van:

C Phần III SỐ LIỆU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM

I Số liệu thô khi thí nghiệm:

1 Thí nghiệm 1:

Ta có:

Lưu lượng: Q= W

t =

6

16=0.375 lít /s

Từ đó ta tính được bảng số liệu sau:

STT Chế độ

mở W (lít) t(s) ∆Pm (cmH20) ∆Pv (cmH20) Lưu lượng Q (lít/s)

2 Thí nghiêm 2:

Ống A:

STT ∆Pm (theo ống

A) ∆P theo ốngA

Ống B:

STT ∆Pm (theo ống

B) ∆P theo ốngB

Ống C:

STT ∆Pm (theo ống

C) ∆P theo ốngC

Ống D:

STT ∆Pm (theo ống

D) ∆P theo ốngD

2 1.8 9

3 Thí nghiệm 3:

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

II Xử lý số liệu:

1 Thí nghiệm 1:

Ta có:

ρg=998.2kg/m3

g=9.81m/s2

μ=0.001004 N /m2

γ=9792.342N /m3

1cmH20=98.1 N /m2

β= d2

d1=

17

40=0 425

∆ P m

ρgg =

∆ P m∗98

ρgg ∗100=

10.5∗98 998.2∗9.81∗100=10.5 cm H2O

∆ P v

ρgg =

∆ P v∗98

ρgg ∗100=

8∗98 998.2∗9.81∗100=0.08 cm H2O

V =

4 Q

1000

π(1000d )2

=

40.375 1000

π(100017 )2

=1.65 m/s=16.5 cm/ s

ℜ=Vρgd

μ =

1.65∗998.2∗( 17

1000) 0.001004 =27887.95817

C m=V√γ(1−β4

)

2 g ∆ P m =1.65∗√9792.342∗(1−0.4254

)

2∗9.81∗10.5∗98.1 =1.13

C v=V√γ(1−β4)

2 g ∆ P v =1.65∗√9792.342∗(1−0.4254)

2∗9.81∗8∗98.1 =1.294

Tương tự như tính cho chế độ mở hoàn toàn, ta có bảng số liệu sao theo từng chế độ mở:

Bảng 4:

Chế độ

mở Q (lít/s) ∆Pm (cm H20) ∆Pv (cm H20) V(m/s) Re Cm Cv

3/4 0.3437

5

* Giản đồ Q đối với hiệu số thủy dầu áp suất ∆ P m và ∆ P v

7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 0.22

0.24

0.26

0.28

0.3

0.32

0.34

0.36

0.38

0.4

f(x) = − 0 x + 0.34

Q với hiệu số thủy dầu áp suất qua màng chắn và venturi

∆Pm Linear (∆Pm)

∆Pv

∆P

*Giản đồ Hệ số lưu lương kế C m và C v theo Re

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

Cm và Cv theo Re

Cv Cm

Re

2 Thí nghiệm 2:

*Với ống A: d = 29mm

Dựa vào giản đồ của Q với hiệu suất thủy dầu qua màng chắn ngoại suy tuyến tính ta xác định

được Q=−0.0003∗∆ P m+0.3442=−0.0003∗10.5+0.3442=0.34105l /s

V =

4 Q

1000

π(1000d )2

=

40.34105 1000

π(100029 )2

=0.516 m/s

ℜ=Vρgd

μ =

0.516∗998.2∗( 29

1000) 0.001004 =14877.55458

f = 2 gd ∆ P

l tđ V2ρgg=

2∗9.81∗29

1000 ∗1 1.5∗0.5162 =1.424

Tương tự như vậy ta tính được bảng số liệu theo ống B với d = 22mm và ống C d = 17mm và

ống D d = 13.5mm

*Ống A:

Chế độ

mở ∆Pm(cmH20) ∆Pv(cmH20) Q (lít/s) V (m/s) f Re

*Ống B:

Chế độ

mở ∆Pm(cmH20) ∆Pv(cmH20) Q (lít/s) V (m/s) f Re

*Ống C:

Chế độ

mở ∆Pm(cmH20) ∆Pv(cmH20) Q (lít/s) V (m/s) f Re

*Ống D:

Chế độ

mở ∆Pm(cmH20) ∆Pv(cmH20) Q (lít/s) V (m/s) f Re

*Giản đồ thừa số ma sát ống A, B, C, D theo Re

14000 16000 18000 20000 22000 24000 26000 28000 30000 32000 34000

0

0.4

0.8

1.2

1.6

Ống A Linear (Ống A) Ống B Linear (Ống B) Ống C Linear (Ống C) Ống D Linear (Ống D)

Re

3 Thí nghiệm 3:

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

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

Với chế độ mở hoàn toàn của van 5:

Dựa vào giản đồ của Q với hiệu suất thủy dầu qua màng chắn ngoại suy tuyến tính ta xác định

được Q=−0.0003∗∆ P m+0.3442=−0.0003∗15.1+0.3442=0.33967l/ s

V =

4 Q

1000

π(1000d )2

=

40.33967 1000

π(100029 )2

=0.514 m/s

V2

2 g=

0.5142

2∗9.81=0.0134

ℜ=Vρgd

μ =

0.514∗998.2∗( 29

1000) 0.001004 =14826.99581

Dựa vào giản đồ hệ số ma sát của f theo Re, ngoại suy tuyến tính ta có

f =−0.0002∗ℜ+ 4.2543=−0.0002∗14826.99581+ 4.2543=1.288

Với độ mở hoàn toàn van 5 ta có ξ=0.04 và mở 34 là 0.26 và

1

2 là 2.06

l e=d

f =

0.04∗29 /1000

1.288 =0.0009 m

Tương tự áp dụng cách tính cho độ mở van 3/4 và 1/2 ta có bảng số liệu sau:

STT Van 5 ∆Pm(cm

H20)

∆Pv(cm

H20) Q(lít/s) V(m/s) V2/2g f Re le

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

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

Độ mở của van 5 ở một vài áp suất

Mở HT

Mở 3/4

Mở 1/2

Pv (cmH20)

 Đồ thị đặc tuyến van:

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Đường Đặc Tuyến Riêng Của Van

Đường 45 Đường Đặc Tuyến

Độ mở của van

D Phần IV: Bàn luận

*Bàn luận:

- Nhận xét về các giản đồ và so sánh kết quả trong sách:

+ Lưu lượng Q đối với hiệu số thủy dầu áp suất

ΔPP m ρgg và

ΔPP v ρgg qua màng chắn và ống venturi:

Ta có thể thấy tổn thất áp suất của màng chắn lớn hơn venturi vì venturi co hẹp dần trong khi

màng chắn co hẹp đột ngột

+ Hệ số lưu lượng kế C m và C

v theo Re:

V =C √ (1− β ΔPP.2 g4)

Ta thấy từ kết quả tính toán và đồ thị Cm < Cv Do đó đúng với lý thuyết vì do venturi co hẹp dần, màng chắn

co hẹp đột ngột nên hệ số lưu lượng của venturi lớn hơn của màng chắn

Hệ số lưu lượng kế Cm và Cv giảm khi trị số Re tăng

+ Thừa số ma sát theo Re: thừa số ma sát phụ thuộc vào chế độ chảy của chất lỏng và độ nhám

của thành ống dẫn Có 3 chế độ chảy:

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 (Re giới hạn trên)

Re khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám Ren=220( dtđ/ε )9/8 Có 3 khu vực nhẵn thủy lực, nhám,

quá độ Công thức tính hệ số ma sát cho cả 3 khu vực:

√λ=−2lg[ (6.8 Re)0.9+ ΔP

3.7]

Theo thí nghiệm ta thấy trên những đường kính ống dẫn khác nhau thì Re cũng khác nhau nên khi Re tăng thì hệ số ma sát cũng tăng theo

+ Lưu lượng Q theo độ mở của van ở một vài áp suất: Với độ mở van 5 ta có thể thấy lưu lương

Q tăng dần khi độ mở tăng dần

+ Đặc tuyến riêng biệt và đặc tuyến van gắn vào mạng ống này: Độ mở của van ảnh hưởng rất nhiều đến tổn thất năng lượng và trở lực của hệ thống ống dẫn Tổn thất năng lượng của van ở chế độ mở hoàn toàn là thấp nhất

- Mức tin cậy của kết quả và các nguyên nhân sai số:

+ Do số liệu sai số trong quá trình đo nên các kết quả chỉ mang tính tương đối

+ Độ giảm áp dao động liên tục do lưu lượng không ổn định nên khi quan sát dẫn tới sai số + Và do nước bị rỉ làm hao hụt trong quá trình đo

+ Lúc vặn van không chuẩn xác độ mở theo yêu cầu của bài thí nghiệm

+ Và lúc canh thời gian với mực chất lỏng do lúc đọc mực chất lỏng cũng bị sai số

+ Và do ống có đóng cặn nên quá trình đo cũng không chuẩn xác

- Mục đích sử dụng của van: 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 Tuy nhiên để giảm trở lực trên ống dẫn còn có thể, giảm chiều dài ống Tăng đường kính ống vì tăng đường kính thì ΔPP m giảm rất nhiều Giảm hệ số trở lực λ Và giảm ξ bằng cách chọn

ống, van và độ mở của van

* Tài liệu tham khảo:

- Tập 3: Quá Trình Thiết Bị Và Truyền Khối - Võ Văn Bang - Vũ Bá Minh

- Giáo trình Thí Nghiệm Quá Trình và Thiết Bị

- Bài tập Truyền khối tập 3 - Trịnh Văn Dũng