Chế tạo mô hình reynolds phục vụ mô học thí nghiệm các quá trình thiết bị và cơ học trong kỹ thuật môi trường

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCMKHOA CN SINH HỌC & KT MÔI TRƯỜNG ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Chế tạo mô hình Reynolds phục vụ mô học thí nghiệm

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM

KHOA CN SINH HỌC & KT MÔI TRƯỜNG

¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: Chế tạo mô hình Reynolds phục vụ mô học thí nghiệm các quá trình thiết

bị và cơ học trong kỹ thuật môi trường

ThS TRẦN ĐỨC THẢO LÊ THỊ PHƯƠNG THẢO 3009110392

NGUYỄN THỊ KIM 3009110461

Lớp: 11CDMT

TP Hồ Chí Minh, tháng 6/2014

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm

Tp Hồ Chí Minh, khoa Công Nghệ Sinh Học và Kỹ Thuật Môi Trường đã tạo điều kiện

và giúp đỡ nhóm chúng em được làm đồ án tốt nghiệp

Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa và thầy Trần Đức Thảo

đã tận tình chỉ bảo, đóng góp ý kiến và động viên nhóm trong quá trình nhóm thực hiện

đồ án tốt nghiệp

Một lần nữa nhóm xin kính chúc các thầy cô sức khỏe và thành công trong công việc

Nhóm sinh viên thực hiện

LÊ THỊ PHƯƠNG THẢO

NGUYỄN THỊ KIM

LÊ TIẾN QUỲNH

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm chúng em xin cam đoan rằng báo cáo đồ án tốt nghiệp này là do nhóm chúng emthực hiện Mô hình, các số liệu nghiên cứu là do nhóm tiến hành thực hiện, trung thực,không sao chép bất kỳ tài liệu khoa học nào.

Ngày … tháng … năm

Sinh viên thực hiện

(ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢN

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Nhằm giúp cho sinh viên có thể hình dung và củng cố phần cơ sở lý thuyết đã đượctìm hiểu trên giảng đường và ứng dụng của kiến thức đó vào trong thực tiễn đời sốngcũng như trong sản xuất Nhưng việc tiếp cận với thực tế đáp ứng được yêu cầu trên

không đơn giản Vì thế việc tạo ra một mô hình mô phỏng nguyên lý, nguyên tắc hoạtđộng của một hệ thống hay một vấn đề nào đó rất cần thiết cho nhu cầu của sinh viênhiện nay.

Môn học Thí nghiệm Các quá trình thiết bị và Cơ học trong kỹ thuật môi trường làmột môn học quan trọng đối với sinh viên ngành kỹ thuật môi trường, giúp sinh viên hiểu

rõ bản chất các quá trình thủy lực trong ngành môi trường Tuy nhiên hiện nay, các thiết

bị phục vụ cho môn học còn nhiều hạn chế, một số thiết bị chưa có đã gây khó khăn choquá trình giảng dạy và học tập của giáo viên và sinh viên trong nhà trường Được sự đồng

ý của Ban chủ nhiệm Khoa, Bộ nhóm chúng em tiến hành thực hiện đề tài Chế tạo môhình Reynolds phục vụ môn học Các quá trình thiết bị và cơ học trong Kỹ thuật môitrường

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Đáp ứng nhu cầu trong phục vụ môn học: “ Các quá trình thiết bị và cơ học trong Kỹthuật môi trường”

Quan sát, phân biệt các trạng thái của lưu chất và sự quá độ chuyển từ trạng này sangtrạng thái kia

Xác định trị số Re tương ứng với từng trạng thái, so sánh kết quả thực nghiệm củaReynolds

3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

3.1 Phương pháp khảo sát, thu thập số liệu

3.1.1 Phương pháp thu thập số liệu từ tham khảo tài liệu

Phương pháp này là dựa trên nguồn thông tin sơ cấp và thứ cấp thu thập từ những tàiliệu nghiên cứu trước đây để xây dựng cơ sở luận cứ để chứng minh giả thuyết

3.1.2 Phương pháp thu thập số liệu từ thực nghiệm

Trong phương pháp này số liệu được thực hiện bằng cách quan sát, theo dõi, đo đạccác thí nghiệm

3.1.3 Phương pháp mô hình hóa: Tính toán, chế tạo mô hình Reynolds

Phương pháp mô hình hóa nghiên cứu hệ thống thông qua việc xây dựng các mô hìnhhoạt động của chúng.

Phương pháp mô hình hóa được sử dụng khi biết rõ các yếu tố đầu vào, đầu ra và cácbiến đổi bên trong hệ thống

Tiến hành thực nghiệm để so sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết

4 NỘI DUNG THỰC HIỆN

4.1 Tổng quan mô hình Reynolds

Thí nghiệm mô hình Reynolds được O.Reynolds thực hiện vào năm 1883 nhằm mụcđích quan sát cấu dòng chảy, bằng thực nghiệm đã phát ra sự tồn tại hai trạng thái chảykhác biệt nhau của chất lỏng và chứng minh rằng chúng có liên quan đến tổn thất nănglượng của nó

4.2 Chế tạo mô hình Reynolds

Chế tạo khung mô hình (bể chứa nước, bể chứa dung dịch màu, ống quan sát cácchuyển động của chất lỏng,…)

Chế tạo hệ thống điện, nước, bố trí các phần phụ

Lắp ráp và hoàn thiện các phần của mô hình theo tiêu chí dễ vận hành, dễ quan sát,thẩm mỹ

5 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

Phục vụ nhu cầu học tập và nghiên cứu cho môn học: “ Các quá trình thiết bị trong Kỹthuật môi trường”

Nâng cao chất lượng thí nghiệm và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thí nghiệm

Kế thừa, phát huy sáng tạo ra mô hình thí nghiệm mới khoa học, hiệu quả hơn môhình thí nghiệm truyền thống.

CHƯƠNG 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Cơ sở lý thuyết tính toán giá trị lưu lượng

1.2 Cở sở lý thuyết trạng thái chảy của lưu chất

1.2.1 Khi tăng dần lưu lượng từ giá trị bằng không

Ở giá trị lưu lượng nhỏ, tia màu dạng đường thẳng, dọc theo đường tâm ống,không dao động, các phần tử màu không hòa trộn với các phần tử nước xung quanh nó.Điều đó chứng tỏ rằng các phần tử lưu chất chuyển động theo tầng lớp, không bị xáotrộn Trạng thái này được gọi là trạng thái chảy tầng.

Khi lưu lượng lớn đến một mức nào đó, tia màu bắt đầu dao động (gợn sóng) –dòng chảy đã hết trạng thái chảy tầng

Nếu tiếp tục tăng lưu lượng, tia màu sẽ dao động mạnh hơn, tiếp tục đứt đoạn vàsau đó bị hòa trộn hoàn toàn vào dòng chảy Dòng chảy lúc này trở nên hoàn toàn rối Từkhi hết trạng thái chảy tầng đến lúc chảy rối, dòng chảy đã trải qua trạng thái chảy quá độ

từ tầng sang rối

1.2.2 Khi dòng chảy đang ở trạng thái rối hoàn toàn

Nếu giảm dần lưu lượng thì tới mức nào đó, các phần tử màu lại trở lại ở mức gợnsóng

Nếu tiếp tục giảm lưu lượng thì trạng thái chảy tầng của lưu chất lại được thiết lập,khi đó: tia màu lại đi thẳng theo đường tâm ống Dòng chảy đã chuyển từ trạng thái chảyrối sang trạng thái chảy tầng sau một giai đoạn chảy quá độ từ rối sang tầng

1.3 Cơ sở lý thuyết tính toán hệ số Reynolds

Trong đó:

v: Vận tốc trung bình của lưu chất trong ống, m/s

D: đường kính ống, m

ϑ: độ nhớt động học của lưu chất, m2/s

Về ý nghĩa vật lý, Re là tỷ số giữa lực quán tính và lực ma sát nhớt Việc tăng dầnlưu lượng cũng chính là tăng dần trị số Re Nếu trị số Re nhỏ chứng tỏ rằng lực ma sátnhớt chiếm ưu thế, vì vậy mọi kích động đối với dòng chảy sẽ dễ dàng bị lực ma sát nhớtdập tắt, lúc đó có dòng chảy tầng Khi Re tăng dần, lực quán tính dần dần chiếm ưu thế,

do vậy lực ma sát nhớt không còn đủ sức để dập tắt các kích động, khi đó dòng chảy dễdàng chuyển sang chảy rối

Thí nghiệm Reynolds đã cho thấy rằng trị số Re tương ứng với trường hợp dòngchảy vừa vượt qua trạng thái chảy tầng (chuyển từ tầng sang rối), gọi là Re tới hạn trên,

ký hiệu Rec1 có thể đạt trị số lớn nhất, tới 105, còn trị số Re ứng với trường hợp dòng chảythiết lập lại được trạng thái chảy tầng (chuyển từ rối sang tầng), gọi là Re tới hạn dưới, kýhiệu Rec2 thường nhỏ hơn nhiều, theo Reynolds thì Rec2 gần bằng 2300

Trong thực tế, khi phân định trạng thái chảy của lưu chất, để đảm bảo chắc chắn làdòng chảy tầng thì người ta đã dùng Regh = 2300 làm tiêu chuẩn để phân định, khi đó:

 Với dòng chảy có Re > 2300 gọi là dòng chảy rối

 Với dòng chảy có Re < 2300 gọi là dòng chảy tầng

 Re < Repgd thì trạng thái đó là chảy tầng

 Re > Repgt thì trạng thái đó là chảy rối

 Repgd < Re < Repgt: thì trạng thái của nó có thể chảy tầng hoặc chảy rối, nhưngthường là chảy rối, vì ứng với giai đoạn trung gian này trạng thái chảy tầng rấtkhông ổn định

1.4 Các mô hình chế tạo tham khảo

1.4.1 Mô hình thí nghiệm Reynolds của Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội

Hình 1.1.

Mô hình thí nghiệm Reynolds của Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội

1.4.2 Mô hình thí nghiệm Reynolds Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Bà Rịa Vũng

Tàu

Hình 1.2 Mô hình thí nghiệm Reynolds của Trường Đại Học Mỏ Địa chất Bà Rịa Vũng

− Về mặt cơ học: Do mô hình gồm những thiết bị có kết cấu nhẹ nên hầu như

không có va chạm nào xảy ra nên an toàn tuyệt đối

− An toàn về điện: Các thiết bị máy mọc dùng nguồn điện 220V Hệ thống đường

dây điện được bảo vệ trong ống nhựa Các mối nối trong tủ điện được siết cẩn thận

và kiểm tra chắc chắn đảm bảo không có chỗ hở, an toàn tuyệt đối Tuy nhiên cầnphải đảm bảo thực hiện các quy tắc an toàn để tránh đổ nước vào máy móc gây hưhỏng và rò rỉ điện gây nguy hiểm đến tính mạng

− Độ bền: Mô hình hoạt động tốt trong quá trình thí nghiệm, hạn chế hư hỏng, rò rỉ

nước và các sự cố khác

2.2 Thông số kỹ thuật thiết kế

2.2.1 Bình cấp nước cho ống nghiệm

2.2.1.1 Mục đích

và cungcấp nướcvào trongống quansát trạngthái chảy

Hình 2.1 Bình cấp nước cho ống nghiệm2.2.1.2 Thông số kỹ thuật

 Thông số kỹ thuật của bình cấp nước cho ống nghiệm được thể hiện ở bảng 2.1

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của bình cấp nước cho ống nghiệm

Thông số kỹ thuật của bình chứa nước được thể hiện ở bảng 2.2.

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của bể chứa nước

2.2.3 Bình chứa nước màu

2.2.3.1 Mục đích.

 Chứa nước màu để cấp nước màu cho ống thủy tinh chứa dòng nước màu

2.2.3.2 Thông số kỹ thuật

 Thông số kỹ thuật của bể chứa nước màu được thể hiện ở bảng 2.3

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật bể chứa nước màu

2.2.4 Ống chứa nước màu

2.2.4.1 Mục đích

 Chứa nước màu chảy vào ống quan sát.

2.2.4.2 Thông số kỹ thuật

 Thông số kỹ thuật ống chứa nước màu được thể hiện trong bảng 2.4

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật ống chứa nước màu

2.2.5 Ống quan sát

2.2.5.1 Mục đích.

 Khảo sát trạng thái chảy của dòng nước qua 2 thí nghiệm chảy rối và chảy tầng

Hình 2.5 Ống quan sát

2.2.5.2 Thông số kỹ thuật

 Thông số kỹ thuật ống quan sát được thể hiện trong bảng 2.5

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật ống quan sát

Ống quan sát

1 Đường kính mm 14

2.2.6 Thông số kỹ thuật các thiết bị phụ

Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật của máy bơm

Thông số Số lượng Xuất xứ Đặc tính kỹ thuật

Thông số kỹ thuật của máng răng cưa được thể hiện trong bảng 2.7

Bảng 2.7 Thông số kỹ thuật của máng răng cưa

2 Chiều cao m 0.3

2.3 Vận hành mô hình thiết bị

2.3.1 Sơ đồ thiết bị Reynolds

− Sơ đồ thiết bị theo lý thuyết

Hình 2.8 Mô hình Reynolds lý thuyết

Bình chứa nước (1), van cấp nước (2), ống cấp nước (3), bình chứa nước màu(5), ống cấpnước màu (6), bờ tràn (7), bình cấp nước cho ống nghiệm (8), ống xả nước dư (9), cácviên giữ ổn định dòng nước trong bình (10), khung đỡ (11), ống xả ở đáy (12), ống quansát trạng thái chảy (13), van điều chỉnh lưu lượng nước chảy ra (14).

− Sơ đồ thiết bị Renoulds thực tế

Hình 2.12 Ống đong.

2.3.3 Tiến trình thí nghiệm vận hành mô hình

Mở van (2) lớn nhất để cho lưu chất qua ống (3) vào bình (8) Trong quá trình thínghiệm, lưu lượng lưu chất chảy qua ống quan sát được điều chỉnh nhờ van (14), gờ tràn(7) sẽ giữ cho lưu chất trong bình (8) không đổi và khi đó dòng lưu chất chảy trong ốngđược giữ ổn định

2.3.3.1 Thí nghiệm với trường hợp lưu lượng tăng dần (dòng chảy chuyển từ trạng

thái chảy tầng sang chảy rối)

− Bước 1: Mở van điều chỉnh lưu lượng (14) với độ mở rất nhỏ bước đầu để có dòngchảy trong ống (13)

− Bước 2: Mở van nước màu (5) của bình mực màu (6) để cho mực chảy vào ống(13)

− Bước 3: Quan sát dòng mực màu trong ống

− Bước 4: Mở tiếp van (14) nhằm tăng dần lưu lượng trong ống để có được cácthông số dòng chảy ứng với 4 trạng thái:

− Chảy tầng: tia nước màu như sợi chỉ thẳng

− Bắt đầu hết trạng thái chảy tầng: tia màu bắt đầu gợn sóng

− Trạng thái quá độ: dòng nước màu bắt đầu bị đứt đoạn

− Dòng chảy ở trạng thái rối: dòng màu hòa trộn hoàn toàn

− Bước 5: Đo số liệu

− Dùng bình đo thể tích và đồng hồ bấm giây để xác định lượng nước chảyđược sau thời gian 10s, đo 3 lần cho mỗi trạng thái chảy

− Đo nhiệt độ nước

2.3.3.2 Thí nghiệm với trường hợp lưu lượng giảm dần (dòng chảy chuyển từ trạng

thái rối sang trạng thái tầng)

− Bước 1: Mở thêm van (14) để có dòng chảy ở trạng thái hoàn toàn rối (mực màuhòa trộn hoàn toàn) sau đó đóng dần van (14) để giảm lưu lượng trong ống

− Bước 2: Quan sát 4 trường hợp:

− Chảy rối: Dòng màu hòa trộn hoàn toàn

− Bắt đầu hết trạng thái chảy rối: Dòng màu trở lại trạng thái nhìn thấy đứtđoạn

− Trạng thái quá độ: Dòng màu trở lại trạng thái gợn sóng

− Chảy tầng: Dòng màu thẳng

− Bước 3: Đo số liệu

− Ứng với mỗi trạng thái chảy, đo thể tích nước chảy được trong 10s làm 3lần

− Đo nhiệt độ nước

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VẬN HÀNH

3.1 Hình ảnh kết quả khảo sát 4 trạng thái trong mô hình thí nghiệm Reynold

3.1.1 Chảy tầng: tia nước màu như sợ chỉ thẳng

3.1.2 Bắt đầu hết chảy tầng: tia màu bắt đầu gợn sóng

3.1.3 Trạng thái quá độ: dòng nước màu bắt đầu bị đứt đoạn

3.1.4 Chảy rối: dòng màu hòa trộn hoàn toàn

3.2 Công thức tính toán kết quả

Lưu lượng nước chảy trong ống : Q= V

Trong đó:

∆ t: Thời gian trung bình sau 3 lần đo, s

V: Thể tích trung bình sau 3 lần đo, m3

A: Tiết diện ống, m2, vì ở đây là ống tròn nên tiết diện được tính theo công thức như sau:

3.3 Kết quả trạng thái chảy của lưu chất từ chảy tầng sang chảy rối

Bảng 3.1 Bảng kết quả trạng thái chảy của lưu chất từ chảy tầng sang chảy rối

Trạng thái

Chảy tầng Hết chảy tầng Quá độ Chảy rối

Lần1

Lần2

Lần3

Lần1

Lần2

Lần3

Lần1

Lần2

Lần3

Lần1

Lần2

Lần3Thể tích,

L

0.03

0.035

Vận tốc nước chảy trong ống: Theo công thức (2):

v= Q

A=

3.1×10−61.5386 ×10−4=0.02(

ϑ =

0.0 55× 0.014

Trạng thái chảy rối

Lưu lượng của dòng chảy:

3.4 Kết quả trạng thái chảy của lưu chất từ rối sang chảy tầng

Bảng 3.2 Bảng kết quả trạng thái chảy của lưu chất từ chảy rối sang chảy tầng

Lần3

Lần1

Lần2

Lần3

Lần1

Lần2

Lần3

Lần1

Lần2

Lần3Thể

tích, L 0.3 0.4 0.33 0.08 0.1 0.1 0.05 0.05 0.07 0.03

0.035

0.035Nhiệt

 Hệ số Reynolds trong mỗi trạng thái trên được tính như sau:

 Trạng thái chảy rối

Áp dụng công thức (1) ta có lưu lượng của dòng chảy:

 Trạng thái hết chảy rối

Lưu lượng của dòng chảy:

1 Bình chứa nước cho ống

01 vanđồng

65.000

9 Tấm nhôm làm máng

10 Cốc thủy tinh 500ml

Tổng cộng chi phí cho mô hình Reynolds 1.976.400

đồng

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ

4.1 Kết luận

4.2 Kiến nghị

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội, Giáo trình Kỹ thuật Thủy khí.

[2] Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh, Giáo trình Thí nghiệm các Quá trình và Thiết bị Cơ học trong Kỹ thuật Môi trường, 2013.

[3] Nguyễn Ngọc Ẩn – Nguyễn Thị Bảy – Lê Song Giang – Huỳnh Công Hoài – Nguyễn

Thị Phương, Hướng dẫn thí nghiệm cơ lưu chất, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ

Chí Minh, 2012

PHỤ LỤC