mạch lưu chất mạch lưu chất mạch lưu chất

báo cáo thực hành các quá trình thiết bị ngành cong nghệ hóa học bài mạch lưu chất mạch lưu chất mạch lưu chất báo cáo thực hành các quá trình thiết bị ngành cong nghệ hóa học bài mạch lưu chất mạch lưu chất mạch lưu chất

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

- -BÁO CÁO THỰC HÀNH CÁC QUÁ

TRÌNH THIẾT BỊ MẠCH LƯU CHẤT

GVHD : TH.S Trần Hoài Đức SVTH :Nguyễn Phúc Ánh Dương

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 1 tháng 11, năm 2019

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

- -BÁO CÁO THỰC HÀNH CÁC QUÁ

TRÌNH THIẾT BỊ MẠCH LƯU CHẤT

GVHD : TH.S Trần Hoài Đức SVTH :Nguyễn Phúc Ánh Dương

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 1 tháng 11, năm 2019

BÀI 3: MẠCH LƯU CHÂT 4

3.1 Tóm tắt: 4

3.2 Giới thiệu: 4

a Cơ sở lý thuyết: 4

i Xác định hệ số ma sát theo chế độ dòng chảy: 4

ii Trở lực cục bộ: 5

iii Đo lưu lượng theo nguyên tắc chênh áp biến thiên: 6

3.3 Mục đích thí nghiệm: 6

3.4 Thực nghiệm: 7

3.4.1 Trang thiết bị, hóa chất: 7

3.4.2 Tiến hành thực nghiệm: 7

3.4.2.1 Thí nghiệm 1 : Xác định tổn thất ma sát của chất lỏng với thành ống : 7

3.4.2.2 Thí nghiệm 2: Xác định trở lực cục bộ: 8

3.4.2.3 Thí nghiệm 3: Đo lưu lượng và độ chênh áp: 8

3.5 Kết quả và xử lý số liệu: 9

3.5.1 Thí nghiệm 1: 9

3.5.1.1 Kết quả: 9

3.5.1.2 Xử lý số liệu: 9

3.5.2 Thí nghiệm 2: 14

3.5.2.1 Kết quả: 14

3.5.2.2 Xử lý số liệu: 14

3.5.3 Thí nghiệm 3: đo lưu lượng dựa vào độ chênh lệch áp” 17

3.5.3.1 Kết quả: 17

3.5.3.2 Xử lý số liệu: 18

3.6 Bàn luận: 20

3.7 Kết luận: 20

3.8 Tài liệu tham khảo: 21

BÀI 3: MẠCH LƯU CHÂT3.1 Tóm tắt:

Khi dòng chất lỏng không nén được chảy qua các ống, các khớp nối, van hay cácthiết bị đo đều bị tổn thất áp suất (năng lượng) điều này sẽ làm tăng năng lượngcần thiết để vận chuyển chất lỏng Do đó, khi tính toán, thiết kế và lựa chọn cácthiết bị vận chuyển chất lỏng ta phải tính toán được các tổn thất này Bài thínghiệm mạch lưu chất sẽ hướng dẫn sinh viên xác định các tổn thất đó như: tổnthất ma sát của chất lỏng với thành ống, tổn thất cục bộ của co, van, đột thu, độtmở; tính toán hệ số lưu lượng của các dụng cụ đo (màng chắn, Ventury, ốngPito)

3.2 Giới thiệu:

Mô hình thí nghiệm này được thiết kế để cho phép nghiên cứu chi tiết tổn thất cột

áp của lưu chất xuất hiện khi một lưu chất không nén được chuyển động qua ống,các co nối, các van, các thiết bị đo lưu lượng

Trở lực ma sát trong ống thẳng của các ống khác nhau có thể được nghiên cứutrong khoảng chuẩn số Reynolds từ 103 đến gần 105, do đó đi từ chế độ chảy tầngđến chảy rối trong ống trơn Một thí nghiệm khác được thực hiện trên ống nhám

để so sánh sự khác nhau về độ nhám của ống trên cùng một kích thước ống, cũngnhư ở khoảng chuẩn số Reynolds cao hơn

Cùng với đó, việc khảo sát trở lực qua van, việc đo lưu lượng qua màng chắn,ống Venturi cũng được thực hiện

a Cơ sở lý thuyết:

Giáo sư Osborne Reynolds đã chỉ ra rằng 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 tất cột áp tỷ lệ thuận với Vn (hoặc un)

Hai loại chế độ này được phân chia bởi chế độ quá độ mà không xác định đượcmối quan hệ giữa tổn thất cột áp và vận tốc

Trở lực do ma sát hf của chất lỏng chảy choáng đầy trong ống được tính theo công

thức sau:

(3-1)

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

L: chiều dài ống dẫn, mD: đường kính ống dẫn,mV: vận tốc chuyển động dòng chảy lưu chất,m/s

i Xác định hệ số ma sát theo chế độ dòng chảy:

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

(3-2) Trong đó: V: vận tốc chuyển động của lưu chất trong ống (m/s)

ρ: khối lượng riêng của lưu chất (kg/m3)

: độ nhớt động lực học của lưu chất, Pa.s (kg/(m.s))

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 dộ nhám ống dẫn.

(3-4)

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

(3-5)

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 coinhư ống nhẵn và gọi là ống có độ nhẵn thủy học Hệ số f vẫn chưa chịu ảnhhưởng của độ nhám và được xác định theo công thức Ixaep

(3-6)

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 các xoáy lốctrong lòng chất lỏng đạt tới giá trị không đổi, không phụ thuộc vào số Re mà chỉphụ thuộc vào độ nhàm tương đối n của ống và được xác định bằng công thứcIxaep

k được tính bằng công thức:

Trong đó: Ptt: là tổn thức áp suất thực tế đo được trên máy

Pđ: áp suất động

Áp suất động được tính bằng cách:

(3-9)

iii Đo lưu lượng theo nguyên tắc chênh áp biến thiên:

a Đo lưu lượng kế màng chắn và Ventury

Màng chắn và Ventury là hai dụng cụ để đo lưu lượng dựa vào nguyên tắc

lưu chất qua tiết diện thu hẹp đột ngột thì xuất hiện độ chênh lệch áp suất trước

diện được thu hẹp

Áp dụng phương trình Bernoulli ta có mối liên hệ giữa lưu lượng và tổn

qua màng chắn, Ventury theo công thức:

Trong đó: 𝑄 𝑄: Lưu lượng của dòng chảy trong ống, 𝑄3⁄𝑄

𝑄: Hệ số hiệu chỉnh, 𝑄𝑄 cho màng chắn, 𝑄𝑄 cho Ventury

𝑄1: Tiết diện ống dẫn, 𝑄2

𝑄2: Tiết diện thu hẹp đột ngột, 𝑄2

𝑄: Áp suất, Pa𝑄: Trọng lượng riêng của lưu chất, 𝑄⁄𝑄3

b Ống pitot

Dùng ống pitot ta có thể đo được áp suất toàn phần 𝑄𝑄𝑄 và áp suất tĩnh 𝑄𝑄,

thể xác định được áp suất động

Trong đó: 𝑄: Vận tốc dòng chảy trong ống, m/s

𝑄𝑄𝑄: Áp suất toàn phần (áp suất tại điểm ngưng đọng_stagnationpoint), 𝑄𝑄

Thí nghiệm 3: 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 tốc củanước trong ống dẫn

3.4 Thực nghiệm:

3.4.1 Trang thiết bị, hóa chất:

Bảng 3-1 : Kính thước ống dẫn bằng đồng

ngoài (mm) Đường kínhtrong (mm)

chắn Ventury Ống dẫnPitot Đột thu Đột mở Co 90º

− Ứng với mỗi lưu lượng đọc độ chênh áp, ghi nhận kết quả

− Mở hoàn toàn van 6 (van lưu lượng), mở van 3, đóng các van còn lại trênmạng ống

− Kiểm tra nguồn điện, bật công tắc bơm cho nước chảy vào trong mạngống

− Thay đổi độ mở của van 6 bốn lần, ứng với từng độ mở của van đo lưulượng và tổn thất áp suất trên đường ống trơn 21

− Ứng với mỗi lưu lượng đọc độ chênh áp, ghi nhận kết quả

Tiến hành thí nghiệm với ống trơn φ27:

− Mở hoàn toàn van 6 (van lưu lượng), mở van 4, đóng các van còn lại trênmạng ống

− Kiểm tra nguồn điện, bật công tắc bơm cho nước chảy vào trong mạngống

− Thay đổi độ mở của van 6 bốn lần, ứng với từng độ mở của van đo lưulượng và tổn thất áp suất trên đường ống trơn 27

− Ứng với mỗi lưu lượng đọc độ chênh áp, ghi nhận kết quả

− Mở hoàn toàn van 6 (van lưu lượng), mở van 5, đóng các van còn lại trênmạng ống

− Kiểm tra nguồn điện, bật công tắc bơm cho nước chảy vào trong mạngống

− Thay đổi độ mở của van 6 bốn lần, ứng với từng độ mở của van đo lưulượng và tổn thất áp suất trên đường ống nhám 27

3.4.2.2 Thí nghiệm 2: Xác định trở lực cục bộ:

Các bước tiến hành ở vị trí đột thu, đột mở:

− Mở hoàn toàn van 6 (van lưu lượng), mở van 2, đóng các van còn lại trênmạng ống

− Mở công tắc bơm cho nước chảy vào mạng ống Thay đổi độ mở của van

− Mở công tắc bơm cho nước chảy vào mạng ống

− Thay đổi độ mở của van 6 bốn lần ở các độ mở khác nhau

− Ứng với mỗi lưu lượng đọc độ chênh áp, ghi nhận kết quả

3.4.2.3 Thí nghiệm 3: Đo lưu lượng và độ chênh áp:

Các bước tiến hành thí nghiệm:

− Mở hoàn toàn van 6 (van lưu lượng)

− Mở hoàn toàn van 2,3,4 trên ống trơn 16,

− Bật công tắc bơm cho nước chảy vào mạng ống

− Thay đổi độ mở của van 6 bốn lần ở các độ mở khác nhau

− Ứng với mỗi lưu lượng đọc độ chênh áp (2 nhánh áp kế của cả 3 vị trí:màng chắn,ventury và ống Pito), ghi nhận kết quả

48 (Re11000)

Với đường kính 17mm 

 Vận tốc dòng chảy:

Hệ số ma sát f1 là:

Tổn thất áp suất hf là:

 Chế độ chảy quá độ: chọn Re = 3000

Với nhiệt độ của nước là 30oC (tra bảng 43 sách bảng tra cứu quá trình cơhọc truyền nhiệt – truyền khối, năm 2012, tr 40) ta được = 995,68 kg/m3 và =0,8007.10-3 m2/s

Với đường kính 17mm 

 Vận tốc dòng chảy:

Với đường kính 17mm 

 Vận tốc dòng chảy:

Hệ số ma sát f1 là:

Tổn thất áp suất hf là:

 Chế độ chảy xoáy ống nhám: chọn Re = 15000

Với nhiệt độ của nước là 30oC (tra bảng 43 sách bảng tra cứu quá trình cơhọc truyền nhiệt – truyền khối, năm 2012, tr 40) ta được = 995,68 kg/m3 và =0,8007.10-3 m2/s

Với đường kính 17mm 

 Vận tốc dòng chảy:

Vận tốcdòngchảy(m/s)

Re

Hệ số

ma sátf

Tổn thất

áp suấtthực tế(cmH2O)

Tổn thất

áp suất lýthuyết(cmH2O)1

1734.868811

Vận tốc dòng chảy trong ống dẫn:

Tiết diện thu hẹp:

Vận tốc dòng chảy trong ống dẫn thu hẹp:

Phương trình Bernoulli cho mặt cắt 1-1 trước đột thu và mặt cắt 2-2 sau đột thu:

Hình 3.1 Mô phỏng đột thu để cho mặt cắt 1-1 trước đột thu và mặt cắt 2-2 sauđột thu

Hệ số trở lực cục bộ:

Tính toán tương tự cho đột mở và co 90o

• Áp dụng phương trình bernoulli cho van 5, ta được trở lực cục bộ:

Hệ số trở lực cục bộ:

Tính toán tương tự với các đường ống còn lại:

Vận tốc(m/s)

Vậntốc lỗ(m/s)

Tổnthất ápsuấtthực tế(mH2O)

Hệ sốtổnthấtcục bộ

Hệ số trởlực cụcbộ

(L/P)

Lưulượng(m3/s)

Độ mởvan

Tổnthất ápsuấtthực tế(mH2O)

Vậntốc lỗ(m/s)

Hệ sốtổnthấtcục bộ

hệ sốtrở lựccục bộ

Độ mở

van

4.2 0.00007 1 Vòng 0.27 0.2021 0.2794 134.214.3 0.0000716 2 Vòng 0.23 0.2067 0.2380 109.274.5 0.000075 3 Vòng 0.18 0.2165 0.1863 77.944.9 0.0000816 4 Vòng 0.16 0.2356 0.1656 58.52

5 0.0000833 5 Vòng 0.14 0.2405 0.1449 49.14

Đồ thị:

3.5.3 Thí nghiệm 3: đo lưu lượng dựa vào độ chênh lệch áp”

Ở 30oC, khối lượng riêng của nước :

Lưu lượng dòng chảy trong ống

Lưu lượng tính toán:

Xử lý số liệu với ống pitot, lưu lượng 2 (L/phút), độ chênh áp 0.1 (cmH2O)

Vận tốc dòng chảy trong ống:

Tiết diện ống pitot:

Tính toán tương tự với các đường ống còn lại:

Thí

nghiệm

Lưulượngthực tế

(m3/s)

Tổn thất

áp suấtthực tế(mH2O)

Tổnthất ápsuấtthực tế(Pa)

Lưu lượng

lý thuyết(m3/s)

Tổn thất

áp suấtthực tế(mH2O)

Tổnthất ápsuấtthực tế(Pa) A V Lưu lượng lýthuyết (m3/s)0.0000333 0.001 9.81

3.6 Bàn luận:

− Chênh lệch lớn giữa lưa lượng thực tế và lưu lượng lý thuyết

− Càng về sau khi lưu lượng tăng, làm chênh lệch cột áp lớn dẫn tới trở lựccục bộ tăng gây sự chênh lệch lớn giữa hai Q

− Áp suất chênh lệch tỉ lệ thuận với hệ số trở lực

Một số nguyên nhân khác dẫn đến sự thiếu chính xác trong kết quả như:

- Không xả lượng áp suất hơi và còn nhiều bọt khí trong cột áp

- Van điều chỉnh lưu lượng dòng khó điều chỉnh, không ổn định

- Sai số khi đo tổn thất cột áp

3.8 Tài liệu tham khảo:

[1] Trường Đại học Công nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh Tài liệu hướng dẫn

thực hành Các quá trình và Thiết bị trong công nghệ Hóa Học Lưu hành nội bộ.

2017

[2] Tập thể tác giả, Sổ tay quá trình & thiết bị trong công nghệ hóa chất, tập 1 &

2, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2012.