Mạch lưu chất Thực tập quá trình và thiết bị

DANH SÁCH HÌNHHình 1: Đồ thị biểu diễn sự phụ phụ thuộc tổn thất dọc đường theo lưu lượng của ống thép không gỉ D=26.64mm Hình 2: Đồ thị biểu diễn sự phụ phụ thuộc tổn thất dọc đường the

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ

- -PHÚC TRÌNH THỰC TẬP CÁC QUÁ TRÌNH VÀ

THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

MẠCH LƯU CHẤT

Vương Thị Ngọc Tuyết B1706431 Nguyễn Thị Phương Uyên B1706433 Ngành: CN Kỹ thuật hóa học-Khóa 43

Tháng 6/2020

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH SÁCH BẢNG ii

DANH SÁCH HÌNH iii

1 MỤC ĐÍCH 1

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1

2.1 Tổn thất dọc đường 1

2.2 Tổn thất cục bộ 2

3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 2

3.1 Tổn thất dọc đường 2

3.2 Tổn thất cục bộ 10

4 NHẬN XÉT VÀ BÀN LUẬN 14

TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1: Kết quả đo tổn thất dọc đường trên ống thép không gỉ D=26.64mm

Bảng 2: Sự phụ thuộc của hệ số hiệu chỉnh lưu lượng vào chuẩn số Re0 và tỉ lệ Do/D1 Bảng 3: Kết quả tính toán toán cho ống thép không gỉ D = 26.64mm

Bảng 4: Kết quả đo tổn thất dọc đường trên ống thép không gỉ D=12.52mm

Bảng 5: Sự phụ thuộc của hệ số hiệu chỉnh lưu lượng vào chuẩn số Re0 và tỉ lệ Do/D1 Bảng 6: Kết quả tính toán cho ống thép không gỉ D = 12.52 mm

Bảng 7: Kết quả đo tổn thất cục bộ (theo đơn vị mmH2O)

Bảng 8: Kết quả đo tổn thất cục bộ (N/m2)

Bảng 9: Kết quả tính toán cho 5 lần đo:

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1: Đồ thị biểu diễn sự phụ phụ thuộc tổn thất dọc đường theo lưu lượng của ống thép không gỉ (D=26.64mm)

Hình 2: Đồ thị biểu diễn sự phụ phụ thuộc tổn thất dọc đường theo lưu lượng của ống thép không gỉ (D=12.52mm)

Hình 3: Đồ thị biễu diễn tổn thất cục bộ theo lưu lượng

MẠCH LƯU CHẤT

1 MỤC ĐÍCH

Khảo sát hiện tượng tổn thất dọc đường của các dòng chảy trên một đoạn đường ống tròn không có các chi tiết nối ống

Khảo sát hiện tượng tổn thất cục bộ ở các chi tiết nối ống như mở rộng, co hẹp, đoạn ống cong, các loại van, …

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Phương trình năng lượng áp dụng cho dòng chảy ổn định từ mặt cắt 1-1 đến mặt cắt 2-2 được viết như sau:

12 f

2 2 2 2 2

2 1 1 1

g 2

V p

z g 2

V p

γ +

=

α + γ +

Trong đó z1, z2, p1, p2, V1, V2 là cao độ, áp suất và vận tốc trung bình tại 2 mặt cắt 1-1

và 2-2; γ: trọng lượng riêng của chất lỏng; g: gia tốc trọng trường; hf12 là tổn thất năng lượng của dòng chảy từ mặt cắt 1-1 tới mặt cắt 2-2; α1 và α2 là hệ số hiệu chỉnh động năng tại mặt cắt 1-1 và 2-2

2.1 Tổn thất dọc đường

2 5 2 2

2 2

gD

L 8 A

Q g 2

1 D

L g 2

V D

L h

π

λ

= λ

= λ

=

Trong đó:

L: chiều dài từ mặt cắt 1-1 đến mặt cắt 2-2

D: đường kính trong của ống

V: vận tốc trung bình trong ống

Q: lưu lượng dòng chảy

A: tiết diện trong của ống

λ: hệ số ma sát hay hệ số tổn thất dọc đường

• Đối với dòng chảy tầng trong ống: Re

64

= λ

• Đối với dòng chảy rối trong ống:











 ε

=

D f

ε: độ nhám tuyệt đối

D: đường kính trong của ống

Re: chuẩn số Reynolds

2.2 Tổn thất cục bộ

2

2

cb

V

g

h =ξ

Trong đó ξ là hệ số tổn thất cục bộ có giá trị khác nhau cho các loại nối ống khác nhau

và được xác định bằng thực nghiệm

3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

3.1 Tổn thất dọc đường

a) Ống thép không gỉ D = 26.64mm

Bảng 1 Kết quả đo tổn thất dọc đường trên ống thép không gỉ D=26.64mm

Lần

Độ trên cột áp Đĩa chắn (mmH 2 O) Đĩa chắn (N/m 2 ) P1A-P1B (mmH 2 O) P1A-P1B (N/m 2 )

4 30 3057.6 29995.06 33.6 329.616

Ta tính toán cụ thể ứng với mức lưu lượng cho lần đo thứ nhất

Ở nhiệt độ 30 oC ta có các giá trị sau:

Đường kính lỗ trong đĩa chắn D0 = 0.478 in = 12.1412 mm

Đường kính trong của ống được gắn đĩa chắn D1 = 1.912 in = 48.5648 mm

Ta có:

0

1

0.478

0.25 1,912

D

Vận tốc của dòng chảy qua đĩa chắn theo công thức sau:

Tính giá trị Re0 theo V0 sơ bộ:

Bảng 2.Sự phụ thuộc của hệ số hiệu chỉnh lưu lượng vào chuẩn số Re 0 và tỉ lệ

D o /D 1

Hệ số hiệu

Nội suy từ bảng trên ta có được giá trị: CD = 0.597113

Tính vận tốc của dòng chảy theo hệ số hiệu chỉnh CD:

Ta tính lại Re0 theo V0:

Nội suy từ bảng ta có hệ số hiệu chỉnh CD = 0.60131

Tính vận tốc của dòng chảy theo hệ số hiệu chỉnh CD:

Ta tính lại Re0 theo V0:

 V0 = 1.96 (m/s)

Tính lưu lượng Q qua đĩa chắn:

Tính vận tốc dòng lưu chất qua ống:

Tính lại Re theo V và D

Độ nhám tuyệt đối của ống thép không gỉ là: =4.6x10-2 (mm)

3

2

10 727 1 64

26

10

6

×

=

×

=

d

ε

Tính tổn thất dọc đường hd:

Tổn thất dọc đường thực tế:

Tính tương tự cho các lần đo 2,3,4,5 ta có bảng số liệu:

Bảng 3 Kết quả tính toán cho ống thép không gỉ D = 26.64mm

Re 0 49267.81 150070.37 134806.41 117577.79 82667.16

V 0 (m.) 1.95 5.93 5.33 4.64 3.27

Từ bảng số liệu vẽ đồ thị:

Hình 1 Đồ thị biểu diễn sự phụ phụ thuộc tổn thất dọc đường theo lưu lượng của

ống thép không gỉ (D=26.64mm) Nhận xét:

- Tổn thất dọc đường thực tế lớn hơn lý thuyết

- Lưu lương Q càng tăng thì tổn thất dọc đường càng lớn

c) Ống nhựa đường kính D = 12.52mm

Bảng 4:Kết quả đo tổn thất dọc đường trên ống thép không gỉ D=12.52mm

Lần đo Nhiệt độ o C

Độ trên cột áp Đĩa chắn

(mmH 2 O) Đĩa chắn (N/m 2 ) (mmH P3A-P3B 2 O) P3A-P3B (N/m 2 )

Ta tính toán cụ thể ứng với lần đo thứ nhất

Ở nhiệt độ 31 oC ta có các giá trị sau:

Đường kính lỗ trong đĩa chắn D0 = 0.478 in = 12.1412 mm

Đường kính trong của ống được gắn đĩa chắn D1 = 1.912 in = 48.5648 mm

Ta có:

0

1

0.478

0.25 1,912

D

Vận tốc của dòng chảy qua đĩa chắn theo công thức sau:

Tính giá trị Re0 theo V0 sơ bộ:

Bảng 5 Sự phụ thuộc của hệ số hiệu chỉnh lưu lượng vào chuẩn số Re 0 và tỉ lệ

D o /D 1

Hệ số hiệu

Hệ số hiệu

Nội suy từ bảng trên ta có được giá trị: CD = 0.597117

Tính vận tốc của dòng chảy theo hệ số hiệu chỉnh CD:

Ta tính lại Re0 theo V0:

Nội suy từ bảng ta có hệ số hiệu chỉnh CD = 0.60139

Tính vận tốc của dòng chảy theo hệ số hiệu chỉnh CD:

Ta tính lại Re0 theo V0:

 V0 = 1.84

Tính lưu lượng Q qua đĩa chắn:

Tính vận tốc dòng lưu chất qua ống:

Tính lại Re theo V và D

Độ nhám tuyệt đối của ống nhựa mm

Tính tổn thất dọc đường hd:

Tổn thất dọc đường thực tế:

Tính tương tự cho các lần đo 2,3,4,5 ta có bảng số liệu sau:

Bảng 6 Kết quả tính toán cho ống thép không gỉ D = 12.52 mm

Lần đo 1 2 3 4 5

Q (m 3 /s) 0.000213 0.000215 0.000218 0.00022 0.000222

Từ bảng số liệu vẽ đồ thị:

Hình 2 Đồ thị biểu diễn sự phụ phụ thuộc tổn thất dọc đường theo lưu lượng của

ống thép không gỉ (D=12.52mm) Nhận xét:

+) Tổn thất dọc đường thực tế lớn so với tổn thất dọc đường lý thuyết

+) Lưu lượng Q càng lớn thì tổn thất dọc đường càng tăng (tăng chậm).

3.2 Tổn thất cục bộ

Bảng 7 Kết quả đo tổn thất cục bộ (theo đơn vị mmH 2 O) Nhiệt độ Độ chênh cột áp (mmH 2 O)

Bảng 8 Kết quả đo tổn thất cục bộ (N/m 2 ) Lần

đo

Nhiệt độ Độ chênh cột áp (N/m 2 )

Công thức tính tổn thất cục bộ:

g

V

h cb

2

2

ξ

=

Tra bảng “Một số tính chất của nước” ở 29 oC:

ρ=995.98 kg/m3

µ = 0.8194x10-3 N.s/m2

Xác định tổn thất cục bộ tại 2 co:

Xác định V ở lần đo 1:

Ta có:

Nội suy tương tư lần tính trên ta được CD = 0.59991

Ta tính lại Re0 theo V0:

Nội suy từ bảng ta có hệ số hiệu chỉnh CD = 0.60001

Tính vận tốc của dòng chảy theo hệ số hiệu chỉnh CD:

 V0 = 1.94 m/s

Lưu lượng dòng chảy

Vận tốc dòng chảy trong ống (D=26.04 mm):

Do trong toàn bộ thí nghiệm xác định tổn thất cục bộ đường kính ống không thay đổi nên VP4 = VP5 = V

Theo phương trình Bernoulli, tổn thất cục bộ thực tế tại co 180o cho lần đo 1:

→ Theo phương trình Bernoulli, tổn thất cục bộ tại co 90o cho lần đo 1:

→

Bảng 9 Kết quả tính toán cho 5 lần đo:

Với 4 5

,

ζ ζ

lần lượt là hệ số tổn thất cục bô ở co 180o và co 90o

Với

12 ,

cb f

h h

lần lượt là tổn thất cục bộ ở co 1800 và co 900

Hình 3 Đồ thị biễu diễn tổn thất cục bộ theo lưu lượng

Nhận xét:

+) Tổn thất cục bộ ở co 90o lớn hơn tổn thất cục bộ ở co 180o Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này là do hệ số tổn thất cục bộ của co 90o lớn hơn hệ số tổn thất cục bộ của co 180o Từ đó, để sử dụng năng lượng bơm một cách hiệu quả ta nên hạn chế sử dụng co 90o

+) Lưu lượng Q càng lớn, tổn thất cục bộ càng tăng

4 Nhận xét và bàn luận

1 Tổn thất dọc đường

+) Ở ống thép tổn thất dọc đường thực tế lớn hơn lý thuyết

Ta coi thép không gỉ có độ nhám tuyệt đối cố định (độ nhám này được đặt mặc định là ε = 4,6.10-2), nên sự ma sát giữa dòng lưu chất và thành trong của ống thép lớn nên tổn thất cục bộ của ống thép trong trường hợp này lớn

+) Tổn thất dọc đường lý thuyết có xu hướng tăng ổn định khi lưu lượng tăng, còn tổn thất dọc đường thực tế thì có xu hướng tăng mạnh hơn khi lưu lượng tăng Tức là khi tăng cùng một mức lưu lượng thì tổn thất dọc đường thực tế sẽ tăng nhiều hơn lý thuyết

Nguyên nhân: Do trên lý thuyết ta thường tính trở lực của dòng chảy ở những vị

trí đáng kể và bỏ qua các giá trị nhỏ Khi tăng lưu lượng dòng chảy lên, ngoài những tổn thất lớn theo lý thuyết tính được sẽ còn những tổn thất nhỏ mà khi ta cộng lại thì những tổn thất nhỏ này trở nên đáng kể Vì vậy trên biểu đồ thực tế ta thấy càng tăng lưu lượng thì tổn thất dọc đường thực tế sẽ có xu hướng tăng nhanh hơn lý thuyết

+) Lưu lượng dòng lưu chất tăng lên thì tổn thất sẽ tăng nhiều hơn số lần lưu lượng tăng lên Theo công thức Darcy thì , ta thấy rằng: khi Q tăng lên n lần thì hd sẽ tăng lên n2 lần Vì vậy lưu lượng tăng lên thì hao phí dọc đường sẽ tăng đáng kể

+) Về tiết diện trong của ống: thì ta thấy rằng ở ống có tiết diện nhỏ thì tổn thất dọc đường sẽ lớn, còn ống có tiết diện lớn thì tổn thất dọc đường lại nhỏ  Nguyên nhân chính là do: khi ta cho cùng một lượng lưu chất đi qua 2 ống có cùng chất liệu, cùng tính chất chỉ khác nhau ở đường kính ống thì ống có tiết diện nhỏ sẽ chịu một áp suất lớn hơn, áp suất này sẽ tác dụng lên dòng lưu chất với thành ống và giữa các lớp lưu chất với nhau, khi ma sát lớn thì nhiệt sẽ sinh ra làm cho dòng lưu chất mất mát năng lượng lớn; còn ở ống có đường kính lớn sẽ chịu áp suất nhỏ thì sự mất mát năng lượng nhỏ hơn Điều này là hoàn toàn hợp lý khi ta so sánh với công thức Darcy là: Đường kính giảm n lần thì tổn thất dọc đường tăng lên n lần

+) Nói như vậy không phải lúc nào ta cũng tăng kích thước ống cho thật lớn thì sẽ giảm đi tổn thất tối ưu Vì có thể giảm đi ma sát dọc đường nhưng tổn thất vì các lý do khác lại tăng lên như: tốn kém về chi phí lắp đặt đường ống, nhân công, vật liệu, tốn nhiều năng lượng để bơm hơn, chi phí bảo trì, đặc tính dòng chảy… nên việc chọn ống phù hợp về đường kính, vật liệu, tốc độ chảy và lưu lượng rất quan trọng và cần phải khảo sát các điều kiện tối ưu chi phí mới có thể quyết định chọn loại ống nào là tốt nhất (đối với quy mô lớn)

2 Tổn thất cục bộ

+) Tổn thất cục bộ của co 90o lớn hơn tổn thất cục bộ của co 180o khi cho cùng lưu lượng qua ống Nguyên nhân do khi dòng lưu chất qua co 90o bị chuyển hướng đột ngột làm sinh ra ma sát cục bộ ở cuối dòng chảy nhằm chuyển hướng dòng chảy, còn ở

co 180o thì sự chuyển hướng dòng chảy diễn ra dễ dàng hơn

Nguyên nhân:

Do thiết kế co 90o bẻ góc chuyển hướng nhanh, trong khi đó dòng lưu chất vừa mới rời khỏi đĩa chắn có sự xáo trộn cao, khi đến co 90o sự xáo trộn này càng tăng thêm làm ma sát càng lớn nên tổn thất ở vị trí P5A-P5B lớn

Còn ở vị trí co 180o thì thiết kế hướng bẻ góc theo một quỹ đạo hình tròn và có được 1 khoảng từ vị trí P4 đến P5 để ổn định dòng chảy hơn Cách thiết kế co theo quỹ đạo tròn giảm đáng kể ma sát với thành ống và với các lớp chất lỏng với nhau, đồng thời còn giảm đi các điểm chết trong quá trình lưu chất chuyển động trong ống nên ở

vị trí P4A-P4B có tổn thất cục bộ nhỏ

3 Vì sao trong quá trình thí nghiệm thì nhiệt độ của chất lỏng tăng lên? Nhiệt độ này có tăng lên mãi hay không hoặc chỉ đến một mức độ thì không tăng nữa?

Nhiệt độ của chất lỏng tăng lên là do tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ: do

ma sát giữa các chất lỏng trong dòng chảy với nhau và với thành ống hoặc do những xoáy rối trong dòng chảy… Phần năng lượng tổn thất này đã chuyển hóa thành nhiệt năng làm chất lỏng nóng lên Ngoài ra, nhiệt được truyền từ máy bơm vào khi chất lỏng qua bơm, do khi làm việc thì máy bơm nóng lên làm nhiệt độ chất lỏng nóng lên theo

Trong quá trình di chuyển, khối lượng m của chất lỏng (nước) trong ống xem như không đổi, sự ma sát là không đổi và nhiệt lượng sinh ra trong một thời gian nhất định cũng không đổi là:

Với: C là nhiệt dung riêng của nước C = f(t).

Vì nhiệt dung riêng C là một hàm số phụ thuộc và tăng theo nhiệt độ t nên khi nhiệt độ chất lỏng tăng thì C tăng, tức là nhiệt lượng cần cung cấp cho một đơn vị khối lượng nước tăng lên 1 độ Nhưng trên thực tế, nhiệt lượng cung cấp trong một đơn vị thời gian không tăng mà vẫn giữ nguyên Do đó, khi nhiệt độ t của nước tăng dần thì

độ tăng nhiệt độ Δt trong một đơn vị thời gian giảm dần Mà nhiệt lượng q cung cấp trong một đơn vị thời gian là rất bé (do ma sát) nên khi t tăng đến một giá trị nhất định thì Δt tiến dần đến 0 và nhiệt độ của nước gần như không tăng nữa

4 Tại sao cần phải ghi số liệu nhiệt độ chất lỏng trong quá trình làm thí nghiệm?

Trong quá trình làm thí nghiệm ta cần phải ghi lại nhiệt độ của dòng chất lỏng vì:

• Khối lượng riêng của chất lỏng cũng như độ nhớt của chất lỏng chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ

• Nếu không ghi lại nhiệt độ của dòng chất lỏng mà lấy nhiệt độ môi trường thì kết quả tính toán sẽ không chính xác, sai lệch

5 Nguyên nhân dẫn đến sai số:

+ Đọc chỉ số áp kế chưa chính xác

+ Khi đo tổn thất cột áp tại đĩa chắn, số liệu chỉ mang tính tương đối do lưu lượng không ổn định và thay đổi trong một khoảng rộng

+ Hệ số ma sát chỉ mang tính tương đối, chưa chính xác

+ Đường kính ống không chính xác do cặn ở đáy đường ống làm giảm vận tốc dòng chảy, đường kính của đĩa chắn và đường ống khác nhau

+ Vận tốc trong ống phân bố không đều trên mặt cắt ngang dòng chảy

+ Áp kế vi sai không ổn định

+ Nước có lẫn tạp chất

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Đỗ Văn Đài và tập thể tác giả, “Cơ sở Quá trình và thiết bị CNHH tập 1&2”, NXB

Đại học và THCN, Hà Nội 1975

[2] Vũ Bá Minh - Võ Văn Bang, “Quá trình & Thiết bị CNHH và Thực phẩm tập 3”,

NXB ĐH Quốc gia TP Hồ Chí Minh, năm 1999

[3] Phan Văn Thơm, “Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế tạo thực phẩm”, NXB

ĐH Cần Thơ, năm 2004

[4] Nguyễn Thuần Nhi, “Sổ tay nhiệt động kĩ thuật và truyền nhiệt”, NXB ĐH Cần

Thơ, năm 2015