THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ MẠCH LƯU CHẤT

Xác định mối quan hệ giữa tổn thất áp suất do ma sát và vận tốc của nước chảy bên trong ống trơn và xác định hệ số ma sát ?.. Xác định hệ số lưu lượng của các dụng cụ đo màng chắn, Ventu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC



BÁO CÁO THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BÀI 3: MẠCH LƯU CHẤT

Họ tên: Du Đức Hoàng Long

MSSV: 14095651 Lớp: DHHO10C Nhóm: 1

Tổ: 4 GVHD: Nguyễn Tiến Đạt Ngày thực hành: 3/11/2017

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 3, tháng 11, năm 2017

1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Tìm hiểu về các dạng tổn thất áp suất xảy ra trong ống dẫn khi dòng chất lỏng không nén được chảy qua các ống, các khớp nối, van hay các thiết bị đo dùng trong mạng ống Xác định mối quan hệ giữa tổn thất áp suất do ma sát và vận tốc của nước chảy bên trong ống trơn và xác định hệ số ma sát 𝑓

Xác định trở lực cục bộ của co, van, đột thu, đột mở

Xác định hệ số lưu lượng của các dụng cụ đo (màng chắn, Ventury) và ứng dụng việc đo

độ chênh áp trong việc đo lưu lượng và vận tôc của nước trong ống dẫn

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Trở lực ma sát

Có 2 chế độ có thể tồn tại trong một ống:

Chảy tầng (Laminar): tổn thất cột áp tỷ lệ thuận với vận tốc V (hoặc 𝑢)

Chảy rối (Turbulent): tổn thất cột áp tỷ lệ thuận với 𝑉𝑛 (hoặc 𝑢𝑛)

Khi lưu chất chảy trong ống có sự mất năng lượng do ma sát ở thành ống Xét trường hợp ống tròn đều nằm ngang Trở lực do ma sát 𝑕𝑓 của chất lỏng choáng đầy ống được tính theo công thức sau:

𝑕𝑓 = 𝑓 𝐿 𝑉

2

𝐷 2𝑔 Trong đó: 𝑓: hệ số ma sát (không có thứ nguyên)

L: chiều dài ống dẫn, m D: đường kính ống dẫn, m V: vận tốc chuyển động dòng lưu chất, m/s Xác định hệ số ma sát theo chế độ chảy

Để xác định chế độ chảy của chất lỏng ta dựa vào chuẩn số Reynolds, công thức xác định chuẩn số Re như sau:

𝑅𝑒 = 𝑉𝜌𝐷𝑡đ =

𝜇

𝑉𝐷𝑡đ

𝑣

Trong đó: V: vận tốc chuyển động của lưu chất trong ống (m/s)

𝜌: khối lượng riêng của lưu chất, Pa.s (kg/(m.s)) 𝑣: độ nhớt động học của lưu chất (m2/s)

𝐷𝑡đ: đường kính tương đương, m Với vận tốc lưu chất xác định như sau:

𝑉 = 𝑄𝑣

𝐴 Trong đó: 𝑄𝑣: lưu lượng của dòng chảy trong ống, m3/s

A: diện tích mặt cắt ống dẫn, m Công thức thực nghiệm xác định hệ số ma sát 𝑓

Re ≤ 2300 – chế độ chảy dòng hay chảy tầng: không có ma sát nội bộ ống chất lỏng, hệ

số ma sát 𝑓 không phụ thuộc vào độ nhám ống dẫn

64

𝑓 = 𝑅𝑒

2300 ≤ Re ≤ 4000 – chế độ chảy quá độ: hệ số sức cản tăng dần nhưng độ nhám của ống vẫn chưa ảnh hưởng đến giá trị 𝑓 và được xác định theo công thức Braziut

0,3164

4000 ≤ Re ≤ 100000 – chế độ chảy xoáy ống nhẵn: màng chảy dòng thành ống tương đối dày, phủ kín được những gờ nhám nên ống tuy nhám nhưng cũng coi như ống nhẵn

và được xác định theo công thức Ixaep

𝑓 = ( 1,8 log

1 (𝑅𝑒)

2

)

− 1,5

Re ≥ 100000 – chuyển động xoáy trong ống nhám: chiều dày của màng chảy dòng mỏng chỉ còn ở sát thành ống, sức cản do hiện tượng tạo thành xoáy lốc trong lòng chát lỏng đạt tới giá trị không đổi, không phụ thuộc vào số Re mà chỉ phụ thuộc vào độ nhám tương đối n của ống và được xác định bằng công thức Ixaep

2.2 Trở lực cục bộ

𝑓 = [− 1,8 log ( 𝑛

3,7 𝐷

1,11 2

) ]

Là trở lực do chất lỏng thay đổi hướng chuyển động, thay đổi vận tốc do thay đổi hình dáng tiết diện ống dẫn như: đột thu, đột mở, chỗ cong (co), van, khớp nối… Trở lực cục

bộ được kí hiệu: 𝑕𝑚 và có đơn vị là m

𝑣2

𝑕𝑚 = 𝑘

2𝑔 Trong đó: k: hệ số trở lực cục bộ

2.3 Đo lưu lượng theo nguyên tắc chênh áp biến thiên

2.3.1 Lưu lượng kế màng chắn và Ventury

Màng chắn và Ventury là hai dụng cụ để đo lưu lượng dựa vào nguyên tắc khi dòng lưu chất qua tiết diện thu hẹp đột ngột thì xuất hiện độ chênh áp suất trước và sau tiết diện thu hẹp

Áp dụng phương trình Bernolli ta có mối liên hệ giữa lượng và tổn thất áp suất qua màng chắn, Ventury theo công thức:

Qv = C[

√ 𝑔 ]

Trong đó: 𝑄𝑣: lưu lượng của dòng chảy trong ống, m3/s

C: hệ số hiệu chỉnh, 𝐶𝑚 cho màng chắn, 𝐶𝑣 cho Ventury

𝐴1: tiết diện ống dẫn, m2

𝐴2: tiết diện thu hẹp đột ngột, m2

𝑃: áp suất, Pa 𝛾: trọng lượng riêng của lưu chất, N/m3

2.3.2 Ống Pitot

Dùng ống Pitot ta có thể đo được áp suất toàn phần 𝑃𝑡𝑝 và áp suất tĩnh 𝑃𝑡, từ đó có thể xác định được áp suất động

V = √ 𝑃 𝑃 Trong đó:V: vận tốc dòng chảy trong ống, m/s

𝑃𝑡𝑝: Áp suất toàn phần (áp suất tại điểm ngưng đọng), Pa

𝑃𝑡: Áp suất tĩnh, Pa

3 THIẾT BỊ

Bảng 3.1: Kích thước ống dẫn bằng đồng

STT Tên gọi Đường kính

ngoài (mm)

Đường kính trong (mm)

Bảng 3.2: Kích của màng chắn, ống Ventury, ống dẫn Pitot, đột thu, đột mở và co 90o

Đường kính lỗ (mm) Màng chắn Ventury Ống dẫn Pitot Đột thu Đột mở Co 90

4 THỰC NGHIỆM

4.1 Chuẩn bị thí nghiệm

Lưu chất được sử dụng trong thí nghiệm là nước

- Mở công tắc tổng

- Kiểm tra nước trong bồn chứa, nước phải chiếm ¾ bồn, nạp them nếu cần

- Mở tất cả các van, bật bơm cho nước vào hệ thống, đợi khoảng 2-3 phút để nước chảy

ổn định và đuổi hết bọt khí ra ngoài

4.2 Thí nghiệm 1: Xác định tổn thất ma sát của chất lỏng với thành ống

4.2.1 Chuẩn bị

Đóng tất cả các van không cần thiết (trừ van điều chỉnh lưu lượng), chỉ mở những van trên đường ống khảo sát tổn thất ma sát

4.2.2 Các lưu ý

- Kiểm tra cột nước và các nhánh áp kế chữ U cho bằng nhau

- Trước khi mở bơm phải kiểm tra hệ thống đường ống và đóng mở của các van

- Mở bơm, kiểm tra sự rò rỉ của hệ thống Kiểm tra sự dâng nước ở các nhánh áp kế, nếu nhánh nào dâng quá cao và nhanh thì tắt bơm

4.3 Thí nghiệm 2: Xác định trở lực cục bộ

4.3.1 Chuẩn bị

Đóng tất cả các van không cần thiết (trừ van điều chỉnh lưu lượng), chỉ mở những van trên đường ống khảo sát (hoặc các ống có vị trí trở lực cục bộ)

4.3.2 Các lưu ý

- Kiểm tra cột nước và các nhánh áp kế chữ U cho bằng nhau

- Trước khi mở bơm phải kiểm tra hệ thống đường ống và đóng mở của các van

- Mở bơm, kiểm tra sự rò rỉ của hệ thống Kiểm tra sự dâng nước ở các nhánh áp kế, nếu nhánh nào dâng quá cao và nhanh thì tắt bơm

- Khi kết thúc thí nghiệm mở hoàn toàn van số 5

4.4 Thí nghiệm 3: Đo lưu lượng dựa vào độ chênh áp

4.4.1 Chuẩn bị

Đóng tất cả các van không cần thiết (trừ van điều chỉnh lưu lượng), chỉ mở những van trên đường ống có vị trí màng chắn, Ventury hoặc ống Pito

4.4.2 Lưu ý

- Kiểm tra cột nước và các nhánh áp kế chữ U cho bằng nhau

- Trước khi mở bơm phải kiểm tra hệ thống đường ống và đóng mở của các van

- Mở bơm, kiểm tra sự rò rỉ của hệ thống Kiểm tra sự dâng nước ở các nhánh áp kế, nếu nhánh nào dâng quá cao và nhanh thì tắt bơm

5 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

5.1 Thí nghiệm 1

5.1.1 Bảng số liệu thực nghiệm

∅17, d tr =

10 mm

∅21, d tr =

15 mm

∅27 trơn,

mm

3,16 0,0050

∅27 nhám,

mm

5.1.2 Tính mẫu

* Ống ∅27: Với Qv = 2 (l/p), Dtr = 0.019 (m), 𝜌 = 996 (kg/m3 ) ,  = 0,81 x 10^-6 (m2/s), L = 1.2 (m):

-Vận tốc lưu chất: V =Qv = 2×10

= 0.1176 (m/s)

- Chuẩn số Reynolds: Re = VDtđ = 0.1176×0.019 = 2759

=> 2300 ≤ Re ≤ 4000: chế độ chảy quá độ

=> Hệ số ma sát lý thuyết:

= 0,0437

=> Tổn thất áp suất lý thuyết:

hf = f

= 0,0437. = 1,945.10-3

5.1.3 Bảng kết quả TN1

Ống

Lưu lượng

(l/p)

Vận tốc

V (m/s)

Chuẩn

số Re

Tổn thất áp suất thực tế (mH 2 O)

Tổn thất

áp suất

lý thuyết (mH 2 O)

Hệ số

ma sát thực tế

Hệ số

ma sát

lý thuyết

∅17, d tr

= 10

mm

0,56 0,1189 1467,8514 0,6970 0,0038 8,0615 0,0436 0,71 0,1507 1861,0259 0,7080 0,0048 5,0942 0,0344 1,34 0,2845 3512,3588 0,6960 0,0203 1,4059 0,0411 1,43 0,3036 3748,2635 0,6970 0,0228 1,2363 0,0404 1,50 0,3185 3931,7449 0,6960 0,0248 1,1220 0,0400 1,76 0,3737 4613,2474 0,6940 0,0329 0,8126 0,0385 4,30 0,9130 11271,0021 0,7330 0,1519 0,1438 0,0298 6,67 1,4161 17483,1590 0,7500 0,3257 0,0611 0,0266

∅21, d tr

= 15

mm

0,24 0,0226 419,3861 0,0020 0,0003 0,9564 0,1526 0,63 0,0590 1092,1514 0,0010 0,0008 0,0705 0,0586 1,58 0,1491 2760,9586 0,0020 0,0040 0,0221 0,0436 1,60 0,1510 2795,9075 0,0010 0,0040 0,0108 0,0435 1,76 0,1661 3075,4982 0,0010 0,0048 0,0089 0,0425 1,90 0,1793 3320,1401 0,0020 0,0055 0,0153 0,0417 2,40 0,2265 4193,8612 0,0020 0,0083 0,0096 0,0397 4,29 0,4048 7496,5270 0,0080 0,0223 0,0120 0,0334 8,57 0,8087 14975,5795 0,0150 0,0737 0,0056 0,0276 12,00 1,1323 20969,3062 0,0240 0,1326 0,0046 0,0254 1,18 0,0568 1472,8441 0,0010 0,0004 0,1064 0,0435 1,58 0,0761 1972,1133 0,0010 0,0005 0,0593 0,0325

∅27

trơn, d tr

= 21

mm

1,94 0,0934 2421,4556 0,0020 0,0011 0,0787 0,0451 2,10 0,1011 2621,1633 0,0020 0,0013 0,0672 0,0442 3,00 0,1444 3744,5190 0,0010 0,0025 0,0165 0,0404 3,16 0,1521 3944,2266 0,0050 0,0027 0,0742 0,0399 6,67 0,3211 8325,3138 0,0040 0,0097 0,0133 0,0324 7,50 0,3611 9361,2974 0,0050 0,0119 0,0132 0,0313 8,60 0,4140 10734,2877 0,0060 0,0151 0,0120 0,0302 10,00 0,4814 12481,7299 0,0100 0,0196 0,0148 0,0290

∅27

nhám,

d tr

= 19 mm

2,00 0,1176 2759,1192 0,0670 0,0019 1,5043 0,0437 4,00 0,2353 5518,2385 0,1400 0,0065 0,7858 0,0365 6,00 0,3529 8277,3577 0,2550 0,0130 0,6362 0,0324 8,00 0,4705 11036,4769 0,4140 0,0214 0,5810 0,0300 10,00 0,5881 13795,5962 0,6270 0,0314 0,5631 0,0282

5.1.4 Đồ thị

 Đồ thị P theo V:

Đồ thị 5.1: Mối quan hệ giữa tổn thất cột áp và vận tốc lưu chất của ống ∅17

0,0000 0,1000 0,2000 0,3000 0,4000 0,5000 0,6000 0,7000 0,8000

thực tế

lí thuyết

Đồ thị 5.2 Mối quan hệ giữa tổn thất cột áp và vận tốc lưu chất của ống ∅21

Đồ thị 5.3 Mối quan hệ giữa tổn thất cột áp và vận tốc lưu chất của ống ∅27 trơn

0,0000 0,0200 0,0400 0,0600 0,0800 0,1000 0,1200 0,1400

lí thuyết thực tế

0,0000 0,0050 0,0100 0,0150 0,0200 0,0250

0,0000 0,1000 0,2000 0,3000 0,4000 0,5000 0,6000

lí thuyết thực tế

Đồ thị 5.4 Mối quan hệ giữa tổn thất cột áp và vận tốc lưu chất của ống ∅27 nhám

 Đồ thị log P theo log V:

Đồ thị 5.5: Mối quan hệ giữa log P theo log V của ống Ø17 Dựa vào đồ thị, ta thấy:

n lý thuyết = 0,0283

0,0000 0,1000 0,2000 0,3000 0,4000 0,5000 0,6000 0,7000

0,0000 0,1000 0,2000 0,3000 0,4000 0,5000 0,6000 0,7000

lí thuyết thực tế

y = 1,829x - 0,7307 R² = 0,9956

y = 0,0283x - 0,1368 R² = 0,6469

-3,0000 -2,5000 -2,0000 -1,5000 -1,0000 -0,5000

0,0000 -1,0000 -0,8000 -0,6000 -0,4000 -0,2000 0,0000 0,2000 0,4000

log V

lí thuyết thực tế

Đồ thị 5.6: Mối quan hệ giữa log P theo log V của ống Ø21

Đồ thị 5.7: Mối quan hệ giữa log P theo log V của ống Ø27 trơn

-4,0000 -3,5000 -3,0000 -2,5000 -2,0000 -1,5000 -1,0000 -0,5000

0,0000 -2,0000 -1,5000 -1,0000 -0,5000 0,0000 0,5000

lí thuyết thực tế

y = 0,9516x - 1,8308 R² = 0,7585

-4,0000 -3,5000 -3,0000 -2,5000 -2,0000 -1,5000 -1,0000 -0,5000

0,0000

log V

lí thuyết thực tế

Đồ thị 5.8: Mối quan hệ giữa log P theo log V của ống Ø27 nhám

5.1.5 Nhận xét

- Tổn thất cột áp tỷ lệ thuận với vận tốc lưu lượng của dòng chảy trong ống

- Hệ số ma sát thực nghiệm lớn hơn hệ số ma sát lý thuyết

5.2 Thí nghiệm 2

5.2.1 Bảng số liệu thực nghiệm

Đột thu

Q

3,4 (mm)

V (m/s)

k

0.9

<=Q<=1.5

-3,0000 -2,5000 -2,0000 -1,5000 -1,0000 -0,5000

0,0000 -1,0000 -0,8000 -0,6000 -0,4000 -0,2000 0,0000

lí thuyết thực tế

Đột mở

Q

5,6

V (m/s)

Pđ

Ptt

k

0.9

<=Q<=1.5

Khớp

nối

Q

11,12

Van 5

Q(l/ph)

14,16

16,17

6 12 0,353 0,0063 0,012 1,8907

5.2.2 Đồ thị

Đồ thị 5.9: Mối quan hệ giữa tổn thất áp suất và độ mở van 5

Đồ thị 5.10: Mối quan hệ giữa hệ số trở lực cục bộ và độ mở van 5

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03

0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700

V (m/s)

0,0000 0,5000 1,0000 1,5000 2,0000 2,5000 3,0000 3,5000 4,0000 4,5000

0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700

V (m/s)

Đồ thị 5.11: Mối quan hệ giữa hệ số trở lực cục bộ theo lưu lượng chất lỏng trong ống

5.2.3 Nhận xét

- Ở đồ thị biểu diễn mối quan hệ của tổn thất áp suất thực tế và độ mở van 5 cho thấy khi vận tốc của dòng chảy trong ống càng tăng thì tổn thất áp suất cũng tăng Khi mở van ở mức 1/3, tổn thất áp suất tăng nhiều hơn so với khi mở van ở mức 2/3 và hoàn toàn Khi mở van ở mức 2/3 và hoàn toàn thì tổn thất áp suất tăng chậm Điều này cho thấy mức độ mở van cũng ảnh hưởng đáng kể đến chế độ chảy của lưu lượng trong ống

- Ở đồ thị biểu diễn mối quan hệ của hệ số trở lực cục bộ và độ mở van 5 cho thấy

hệ số trở cục bộ K tỷ lệ nghịch với vận tốc dòng lưu lượng chảy trong ống

- Ở đồ thị biểu diễn mối quan hệ của hệ số trở lực cục bộ và lưu lượng dòng chảy cho thấy hệ số trở lực cục bộ tỷ lệ nghịch lưu lượng dòng chảy

5.3 Thí nghiệm 3

5.3.1 Bảng số liệu thực nghiệm

Lưu lượng (l/p)

Tổn thất áp suất

Màng chắn

0,0000 0,5000 1,0000 1,5000 2,0000 2,5000 3,0000 3,5000 4,0000 4,5000

Q (l/ph)

Ventury

Pitot

5.3.2 Bảng kết quả

Lưu lượng thực tế x 10-3 (m3/s)

Vận tốc (m/s)

Tổn thất

áp suất thực tế (Pa)

Hệ số hiệu chỉnh

C

Lưu lượng

lý thuyết (m3/s)

Màng

chắn

0.033 0.166 176,5800 1,144308 0,046197

0.167 0.829 1020,2400 2,380305 0,480476

Ventury

0.033 0.166 137,3400 1,297524 0,052382 0.067 0.332 245,2500 1,941955 0,156797

0.167 0.829 961,3800 2,452089 0,494966

Pitot

0.167 0,7814 304,1100 0,0004

5.3.3 Đồ thị

của ống pito

của ventury

0,0000 0,0001 0,0001 0,0002 0,0002 0,0003 0,0003 0,0004 0,0004 0,0005

Ptt(Pa)

lí thuyết thực tế

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Ptt(Pa)

lí thuyết thực tế

Đồ thị 5.14 : Mối quan hệ giữa lưu lượng thực tế và lý thuyết theo độ chênh lệch áp suất

của màng chắn

5.3.4 Nhận xét

Dựa vào đồ thị, ta thấy:

- Nhìn chung, lưu lượng thực tế lớn hơn lưu lượng lý thuyết do trong quá trình thực nghiệm xảy ra những tổn thất

- Lưu lượng nước chảy trong ống tỷ lệ thuận với tổn thất áp suất

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Bin – Các quá quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực

phẩm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Ptt(Pa)

lí thuyết thực tế