MẠCH LƯU CHẤT TT QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CNHH CTU

Mục đích Khảo sát hiện tượng tổn thất dọc đường của dòng chảy trên một đoạn đường ống tròn không có các chi tiết nối ống.. Khảo sát hiện tượng tổn thất cục bộ của các chi tiết nối ống nh

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

MẠCH LƯU CHẤT

1. Mục đích

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

Khảo sát hiện tượng tổn thất cục bộ của các chi tiết nối ống như mở rộng, co hẹp, đoạn ống cong, qua 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:

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

Tổn thất dọc đường

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:

Đối với dòng chảy rối trong ống:

ε: độ nhám tuyệt đối D: đường kính trong của ống Re: chuẩn số Reynolds Tổn thất cục bộ

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 thí nghiệm:

Bảng 3-1: Các thông số của đĩa chắn

Bảng 3-2: Kết quả thí nghiệm tổn thất dọc đường

Lần

đo

Ống thép không gỉ

(D=26.64mm) Ống thép không gỉ(D=12.52mm) (D=12.52mm)Ống nhựa

Nhiệt

độ

Độ chênh cột áp Nhiệtđộ Độ chênh cột áp Nhiệtđộ Độ chênh cộtáp Đĩa chắn P1A-P1B Đĩa chắn P3A-P3B chắnĐĩa P3A’-P3B’

2

Bảng 3-3: Kết quả thí nghiệm tổn thất cục bộ Lần đo Nhiệt độ

Độ chênh lệch cột áp tại đĩa chắn (mmH2O)

Độ chênh cột áp (mmH2O)

Bảng 3-4: Sự phụ thuộc của C D vào chuẩn số Reynolds

Bảng 3-5: Sự phụ thuộc của khối lượng riêng và độ nhớt vào nhiệt độ

Nhiệt độ

o C

Khối lượng riêng (kg/m 3 )

Độ nhớt (N.s/m 2 )

Tra sổ tay quá trình & thiết bị Công nghệ hóa học tập 1, trang 12, 92

4. Tính toán

1Tổn thất dọc đường

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

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

Tính giá trị Re0 theo V0 sơ bộ:

Nội suy từ bảng trên ta có được giá trị: CD = 0.59687

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 = 0.5974

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

Ta tính lại Re0 theo V0:

 V0 = 6.065 (m/s)

Bảng 4-6: Kết quả các lần lặp

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:

Giả sử vận tốc dòng chảy chưa có hệ số hiệu chỉnh CD được tính theo công thức:

+ Chuẩn số Re tính theo V0 sơ bộ:

= 4.647

+ Từ chuẩn số Re và

0 1

D D

nội suy bảng 2-2 trang 15 giáo trình thực tập quá trình thiết bị, ta được CD = 0.603

+ Từ giá trị CD = 0.603, tính lại V0 theo công thức:

= 1.81

⇒ Suy ra:

Tiếp tục thực hiện vòng lặp ta được bảng sau:

Bảng 4-7: Kết quả các lần lặp

4.647

+ Từ bảng lặp, ta có chuẩn số và vận tốc dòng nước trong đĩa chặn lần 1 của ống P3A-P3B là:

Re = 27897.5

V0 = 1.813 (m/s)

Dống= 0.01252 (m)

+ Ta có lưu lượng nước lần đo 1 của ống P3A-P3B:

= 2.1(m3/s) + Do cùng lưu lượng Q nên ta tính được vận tốc của ống theo công thức:

=1.705 (m/s)

+ Tính lại giá trị Re theo V: = 2.71

Ống 1 có độ nhám ε = 4.6 x 10-2 mm, đường kính Dống1 = 12.52 mm, suy ra:

Với Re =4505.175 và

⇒ Tra giản đồ Moody, ta tra được λ= 0.029

+ Tổn thất dọc đường đo được trên thực tế (m):

=0.461 (m) +Tổn thất dọc đường tính theo công thức Darcy:

== 0.397 (m)

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

Giả sử vận tốc dòng chảy chưa có hệ số hiệu chỉnh CD được tính theo công thức:

+ Chuẩn số Re tính theo V0:

+ Từ chuẩn số Re và nội suy bảng 2-2 trang 15 giáo trình thực tập quá trình thiết

bị, ta được CD = 0.60036

+ Từ giá trị CD = 0.60036, tính lại V0 theo công thức:

⇒ Suy ra:

Tiếp tục thực hiện vòng lặp ta được bảng sau:

Bảng 4-8: Kết quả các lần lặp

+ Từ bảng lặp, ta có chuẩn số và vận tốc dòng nước trong đĩa chặn lần 1 của ống 3(nhựa) là:

Re = 27032.246

V0 = 1.7591 (m/s)

Đặt đường kính trong ống 3(nhựa) là D3(m), vận tốc dòng chảy là V3(m/s)

D3= 0.01252m

+ Ta có lưu lượng nước lần 1 của ống 3(nhựa):

= 0.0002 (m3/s) + Do cùng lưu lượng Q nên ta tính được vận tốc của ống 3(nhựa) theo công thức:

= 1.6245 (m/s)

+ Từ giá trị Re, ta thấy dòng nước chảy rối

Ống 3 có độ nhám ε = 0mm, đường kính D3 = 12.52 mm, suy ra:

⇒ Tra giản đồ Moody, ta tra được λ= 0.024

+ Tổn thất dọc đường đo được trên thực tế (m):

= 0.965 (m) +Tổn thất dọc đường tính theo công thức Darcy:

== (m)

Ta có kết quả các ống như sau:

Bảng 4-9: Kết quả tính toán của 3 ống ứng với 5 mức lưu lượng

Ống Lần

D Q (m3/s) V0(m/s) hd (m)

(Theo Bec-nu-li)

hd (m) (Theo Dary)

Ống

thép

P1A-P1B

Ống

thép

P3A-P3B

Ống 3

nhựa

P3A’-P3B’

Đồ thị 4-1 Giản đồ sự phụ thuộc tổn thất dọc đường vào lưu lượng

Ống thép không gỉ (D=26.64mm)

Đồ thị 4-2 Giản đồ sự phụ thuộc tổn thất dọc đường vào lưu lượng

Ống thép không gỉ (D=12.52mm)

Nhân xét: dựa vào biểu đồ ta thấy, lưu lượng càng lớn tổn thất càng nhiều, tổn thất ngoài thực tế cao hơn tổn thất trên lý thuyết

Đồ thị 4-3 Giản đồ sự phụ thuộc tổn thất dọc đường vào lưu lượng

Ống nhựa (D=12.52mm)

Từ giản đồ ta thấy sự phụ thuộc của tổn thất dọc đường vào lưu lượng là rất nhỏ(đường đồ thị gần như nằm ngang), tại tổn thất thực tế những giá trị hd đầu có sự biến động trong cùng lưu lượng là do thiết bị hoạt động chưa ổn định nên xảy ra sai số

Ta thấy rằng sự sai khác tổn thất thực tế và lý thuyết là khá lớn, cho thấy còn nhiều nguyên nhân dẫn đến sự tổn thất dọc đường

4.2 Tổn thất cục bộ

Bảng: Kết quả đo tổn thất cục bộ

Lần đo Nhiệt độ

0C

Độ chênh lệch tại đĩa chắn (mm H2O)

P4A – P4B (mm H2O)

P5A – P5B (mm H2O)

Bảng: Kết quả độ chênh lệch tại đĩa chắn (theo đơn vị Pa)

0C

Độ chênh lệch tại đĩa chắn

(Pa)

51557.436

39734.424

31656.870

24740.820

5 31

18071.982

- Xác định hệ số trở lực cục bộ cho lần đo thứ nhất:

+ Tính V0:

Ta có đường kính đĩa chắn D0 = 0.478 inch =0.01214 m

Đường kính D1 = 1.912 inch.= 0.04856 m

Giả sử vận tốc dòng chảy chưa có hệ số hiệu chỉnh được tính theo công thức:

Tính Re theo V0 = 10.1965 m/s

Suy ra giá trị CD = 0.5969

Tính lại V0 theo CD = 0.5969

Tính lại Re với V0 = 6.0861 m/s:

Suy ra giá trị CD = 0.5907

Tính lại V0 theo CD:

Tính lại Re với V0 = 6.098 m/s:

Suy ra giá trị CD = 0.5975

Tính lại V0 theo CD = 0.5975

Vậy V0 = 6.0924 m/s

Lưu lượng trong ống:

Vận tốc trong ống:

Ta có công thức tính tổn thất cục bộ:

Ở lưu lượng đầu tiên tại co 90o (P5A-P5B), ta đo được tổn thất cục bộ 57 mmH2O, nên

hệ số tổn thất cục bộ có giá trị:

Tương tự, với mỗi tổn thất cục bộ đo được tại mỗi lưu lượng tại 2 vị trí co 180o (P4A-P4B) và 90o (P5A-P5B), ta được các hệ số tổn thất cục bộ được trình bày ở bảng sau:

Bảng: kết quả tính toán hệ số trở lực cục bộ cho 5 lần đo

Lần đo CD V0

(m/s)

(m3/s)

V

1

0.5975 6.0924

91972.333 5

0.00070

5 1.3242 0.6378 0.3760 2

0.5982 5.3544

80831.703 1

0.00061

9 1.1638 0.7012 0.6519 3

0.5987 4.7835

72213.249 0

0.00055

3 1.0397 0.6788 0.6571 4

0.5992 4.2324

63893.950 0

0.00049

0 0.9199 0.7373 0.5796 5

0.5997 3.6208

55808.034 8

0.00041

9 0.7870 0.8173 0.7730 Tính trở lực trung bình :

+ Ta có công thức tính tổn thất cục bộ:

⇒ Từ công thức trên ta có thể lập được phương trình y=ax2

(với y =hcb và x=V => 2

a g

ξ

=

) + Dựa vào bảng trên ta tính toán được:

Bảng 4-10: Kết quả tổn thất cục bộ tại hai vị trí P4A-P4B và P5A-P5B

Do phương trình cần vẽ là y=ax2 nên ta cần phải lấy thêm các điểm đối xứng với những điểm đã tìm được Tính toán ta được:

Bảng 4-11: Tọa độ các điểm trên đồ thị parabol

Từ số liệu bảng trên ta vẽ được đồ thị sau:

Hình 4-1: Đồ thị biểu diễn tổn thất cục bộ theo vận tốc tại vị trí P4A-P4B và P5A-P5B

+ Tại P4A-P4B

Phương trình hồi quy y = 0.0272x2

⇒ Vậy ta có phương trình y = 0.0272x2

Với 2

a g

ξ

=

= 0.0272 ⇒ (m) + Tại vị trí P5A-P5B:

Phương trình hồi quy y = 0.0347x2

⇒ Vậy ta có phương trình y = 0.0347x2

Với 2

a g

ξ

=

= 0.0347 ⇒ (m)

Sự phụ thuộc của tổn thất cục bộ theo lưu lượng:

Đồ thị 4-4: Biểu đồ biễu diễn sự phụ thuộc của tổn thất cục bộ theo lưu lượng

Từ biểu đồ trên ta thấy rằng:

- Khi lưu lượng dòng chất lưu càng lớn thì trở lực cục bộ tại các co càng lớn Điểm cuối của đường biểu diễn co 1800 bị rơi xuống là do sai số trong quá trình tiến hành thí nghiệm

- Trở lực cục bộ của co 900 cao hơn so với co 1800

5. Nhận xét và bàn luận:

1Nhận xét

5.1 Bàn luận

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Xoa và Nguyễn Trọng Khuôn, “Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1”, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, năm 2006.

[2] Phan Văn Thơm, “Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng”, NXB Đại học Cần Thơ, năm 2004.

[3] Vũ Bá Minh và Võ Văn Bang, 1999 Quá trình & Thiết bị CNHH & TP – tập 3: Truyền khối NXB ĐHQG TP.HCM

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

Cần Thơ, năm 2015