BÀI 3 MẠCH LƯU CHẤT

báo cáo thực hành các quá trình thiết bị và cơ học trong công nghệ hoá BÀI 3 MẠCH LƯU CHẤT của trường đại học Công nghiệp Tp.HCM do sinh viên biên soạn báo cáo và được giáo viên chỉnh sửa bài đúng theo yêu cầu

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

  

BÁO CÁO THỰC HÀNH CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ

HOÁ HỌC MẠCH LƯU CHẤT

GVHD: Trần Thảo Quỳnh Ngân

SVTH:

Lớp học phần:

Ngày thực hành:

28.01.2020

MỤC LỤC

BÀI 3: MẠCH LƯU CHẤT3.1

GIỚI THIỆU

Khi dòng chất lỏng không nén được chảy qua các ống, các loại khớp nối, vanhay các hiết hị đo đều bị tôn thất áp suất (năng lượng) điều này sẽ làm tăng nănglượng cần thiết để vên chuyển chất lỏng Do đó, khi tính toán, thiết kế và lựa chọncác thiết bị vận chuyển chất lỏng ta phải tính toán được các tôn thất này Bài thínghiệm mạch lưu chất sẽ hướng dân sinh viên xác định các tôn thất đó như: tôn thất

ma sát của chất lỏng với thành ống, tổn thất cục bộ của co, van, đột thu, đột mở; tínhtoán hệ số lưu lượng của các dụng cụ đo (màng chắn, Ventury, ông Pito)

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 dòng lưu chất không nén được chuyển động quaống, các co nối, các van, các thiết bị đo lưu lượng

Trở lực ma sát trong ông thăng của các ống khác nhau có thể được nghiên cứutrong khoảng chuẩn số Reynolds từ 103 đên gần 105, do đó đi từ chế độ chảy tầngđến rối trong ống trơn Một thí nghiệm khác được thực hiện trên ống nhám để sosánh sự khác nhau về độ nhám của ống trên cùng một kích thước ông, cũng như ởkhoảng chuẩn số Reynolds cao hơn

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

3.2

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

- Thí nghiệm 1: Xác định mối quan hệ giữa tổn thất áp suất do ma sát và vận tốc củanước chảy bên trong ông trơn và xác định hệ số ma sát f

- Thí nghiệm 2: Xác định trở lực cục bộ của co, van, đột thu, đột mở

- 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 của nước trongống dân

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.3.1 Trở lực ma sát

Giáo sư Osborne Reynolds đã chỉ ra rằng có 2 chế độ có thể tôn tại trong một ống:

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

o Chảy rối (Turbulent): tổn thất cột áp tỷ lệ thuận với V" (hoặc u n)

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 choán đầy trong ống được tính theo côngthức sau:

hf = f

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

L: Chiều dài ống dân, m

: Khối lượng riêng của lưu chất (kg/ m³)

: Độ nhớt động lực học của lưu chất Pa s (kg/ (m s))

v: Độ nhớt động học của lưu chất (m²/s)

Với vận tốc lưru chất xác định như sau:

V = Trong đó: Qv: Lưu lượng của dòng chảy trong ống, m³ /s

A: Diện tích mặt cắt ống dân, m²

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 ƒ không phụ thuộc vào độ nhám ống dân

f =

2300 Re 4000 - chế độ chảy quá độ: hệ số sức cản tăng dần nhưng độ nhám của

ống vân chưa ảnh hưởng đến giá trịƒ và được xác định theo công thức Braziut

f =

4000 Re 10000 - chế độ chảy xoáy ống nhằn: 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 gọi là ống có độ nhẵn thủy học Hệ số ƒ vân chưa chịu ảnh hưởng của độ nhám

và được xác định theo công thức Ixaep

f =

Re 10000 - 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 longchất lỏng đạt tới giá trị không đối, 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:

f = Hoặc hệ số ma sát có thể tìm dựa vào giãn đồ Moody

3.3.2 Trở lực cục bộ

Là trở lực do chất lỏng thay đổi hướng chuyển động, thay đổi vận tốc do thay đổihình dáng tiết diện ống dân như: đột thu, đột mở, chố cong (co), van, khớp nối Trởlực cục bộ được kí hiệu: hm và có đơn vị là m

hm = k

Trong đó: k: hệ số trở lực cục bộ

3.3.3 Đo lượng theo nguyên tắc chênh áp biến thiên

3.3.3.1 Lưu lượng kế màng chắn và Ventury

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

và sau tiết diện được thu hẹp

Áp dụng phương trình Bernoulli ta có mối liên hệ giữa lưu lượng và tổn thất ápsuất qua màng chắn, Ventury theo công thức:

Qv = C

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 dân, m2

A2: tiết diện thu hẹp đột ngột, m2

Ptp: áp suất toàn phần (áp suất tại điểm ngưng đọng_Stagnation point), Pa

Pt: áp suất tĩnh, Pa

3.4 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

3.4.1 Sơ đồ hệ thống

(SGK/tr.18)

3.4.2 Trang thiết bị, hoá chất

Bảng 3.1: Kích thước ống dẫn bằng đồng

Stt Tên gọi Đường kính ngoài (mm) Đường kính trong (mm)

3.5 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

3.5.1 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 thêm nếu cần

- Mở tất cả các van, bật bơm cho nước vào hệ thống, đợi khoảng 2-3 phút để nướcchảy ổn định và đuổi hết bọt khí ra ngoài

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

3.5.2.1 Chuẩn bị

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

3.5.2.2 Các lưu y

- Kiểm tra cột nước ở 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 cao và nhanh cần tắt bơm ngay

- Xác nhận đồ thị là đường thăng cho vùng chảy tầng

- Vẽ đồ thị log h theo log V cho các mỗi loại ống Xác nhận đồ thị là đường thăngcho vùng chảy rối Xác định độ dốc để tìm m

- Ước lượng giá trị chuẩn số Reynolds ở 2 mức giới hạn chuyển từ chảy tầng sangquá độ và từ quá độ sang chảy rối Các giá trị này được gọi là vận tốc giới hạn trên

và giới hạn dưới

- So sánh giá trị hệ số ma sát thực nghiệm và lý thuyết

- Lặp lại tương tự với ống 21, 27 (trơn), 27 (nhám)

3.5.3 Thí nghiệm 2: Xác định trở lực cục bộ

3.1 Chuẩn bị

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

3.5.3.2 Lưu y

- Kiểm tra cột nước ở 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 cần tắt bơm ngay

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

3.5.3.3 Báo cáo

- Xác định: vận tốc dòng nước, hệ số trở lực cục bộ, tổn thất áp suất thực tế (mH2O)

- Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tổn thất áp suất độ mở van 5, quan hệ giữa hệ

số trở lực cục bộ và độ mở van, hệ số trở lực cục bộ theo lưu lượng

- Nhận xét về kết quả thí nghiệm, các dạng đường biểu diễn

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

3.5.4.1 Chuẩn bị

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

3.5.4.2 Các lưu y

- Kiểm tra cột nước ở các thành nhánh 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 cần tắt bơm ngay

3.5.4.3 Báo cáo

a Khảo sát hệ số lưu lượng cúa màng chắn và ống Ventury

Xác định: lưu lượng (m3/s), hệ số K, tổn thất áp suất thực tế (mH2O) – của màngchắn/Ventury, hệ số Cm, Cv Tính trung bình cộng của hệ số Cm, Cv đã tính được

b Xác định lưu lượng dòng chảy qua ống bằng màng chắn, ống Ventury, ống Pitot

- Xác định: lưu lượng thực tế (m3/s), lưu lượnh tính toán (m3/s), lưu lượng tính toánqua ống Pito

- Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lưu lượng thực tế và lưu lượng tính toán theo

độ chênh lệch áp suất

3.6 Kết quả thực nghiệm và xử ly số liệu

3.6.1 Thực nghiệm TN1 và xử ly số liệu

Lưulượng(l/m)

Chênh

áp (cmH2O)

Lưulượng(l/m)

Chênh

áp (cmH2O)

Lưulượng(l/m)

Chênh

áp (cmH2O)

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hf (tt) và V của ống trơn ∅16

Nhận xét: hệ số ma sát hf tỉ lệ thuận với vận tốc ống trơn ∅16 khi vận tốc tăng thì

hệ số ma sát tăng và ngược lại

Hình 3.2 Quan hệ giữa log(V) và log(h f ) thực nghiệm của ống trơn ∅16

chảy rối chảy

quá độ

chảy tầng

0,0052008 9

4,58230777

0,3301 7694,639 0,033116 0,01471379 2,025631663 0,9 -0,05 -0,481

0,0226713 4

1,83798037

Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hf (tt) và V của ống trơn ∅21

Nhận xét: hệ số ma sát hf tỉ lệ thuận với vận tốc ống trơn ∅21 khi vận tốc tăng thì

hệ số ma sát tăng và ngược lại

Hình 3.4 Quan hệ giữa log(V) và log(h f ) thực nghiệm của ống trơn ∅21

Chảy rối

Chảy tầng

Chảy quá độ Chảy tầng

Trở lực do ma sát của chất lỏng theo lý thuyết với L=1,2 m:

Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hf (tt) và V của ống trơn ∅27

Nhận xét: hệ số ma sát hf tỉ lệ thuận với vận tốc ống trơn ∅27 khi vận tốc tăng thì

hệ số ma sát tăng và ngược lại

Hình 3.6 Quan hệ giữa log(V) và log(h f ) thực nghiệm của ống trơn ∅27

quá độ chảy

tầng

chảy rối Chảy quá

độ chảy tầng

Hình 7 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hf (tt) và V của ống ∅27 nhám

Nhận xét: hệ số ma sát hf tỉ lệ thuận với vận tốc ống nhám ∅27 khi vận tốc tăng thì

hệ số ma sát tăng và ngược lại

Hình 8 Quan hệ giữa log(V) và log(h f ) của ống ∅27 nhám

*Bàn luận:

17

chảy tầng

chảy rối quá

độ

- Tổn thất cột áp tỷ lệ thuận với vận tốc dòng chảy trong ống.

- Lưu lượng càng lớn thì ma sát sinh ra với thành ống càng nhỏ

- Ống có tiết diện càng lớn thì hệ số ma sát với thành ống càng lớn

3.6.2 Thực nghiệm TN2 và xử ly số liệu

Nhận xét: hệ số trở lực cục bộ tỉ lệ nghịch với lưu lượng khi tăng lưu lượng thì hệ sốtrở lực cục bộ càng giảm cho ta thấy khi lưu lượng càng lớn thì độ ma sát càng nhỏ.

Hình 10 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số trở lực cục bộ theo lưu lượng

- Nhận xét: hệ số trở lực cục bộ tỉ lệ nghịch với lưu lượng khi tăng lưu lượng thì hệ

số trở lực cục bộ càng giảm cho ta thấy khi lưu lượng càng lớn thì độ ma sát càngnhỏ

*Kết luận và nhận xét chung:

- Ta thấy xét cùng một đường kính, cùng một lưu lượng thì ống nhựa có tổn thất dọcđường ống hơn ống thép không gỉ, cho thấy vật liệu ống cũng ảnh hưởng đến tổnthất dọc đường Lưu lượng tăng thì tổn thất tăng

- Đối với thí nghiệm trở lực cục bộ: Nhìn chung khi vận tốc tăng thì hệ số trở lựccục bộ tăng do là những chỗ khớp nối, chỗ cong, van sẽ gây ra trở lực cục bộ nhiềulàm cho áp suất trong bom tăng lên dân đến tiêu hao năng lượng quá mức cần thiết

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

3.6.3.1 Kết quả thực nghiệm

− Khối lượng riêng của lưu chất: (kg/m3)

Trọng lượng riêng của lưu chất: (N/m3)

Qtt (m3/s)

Hệ

số K

Cm và

Cv

V (m/s) Qlt (m3/s)

Hình 3.10: Mối quan hệ giữa lưu lượng thực tế và lưu lượng lý thuyết theo chênh

lệch áp suất của ống PitotNhận xét

- Ở ống pito qua đồ thị cho ta thấy khi lưu lượng càng tăng thì độ chênh áp càng cao(lưu lượng càng tăng làm cho áp suất giữa 2 đầu ống chữ U khác nhau nhiều.)

- Ở ống ventury và màng chắn khi áp suất thay đổi đột ngột trong ống ở chỗ thu hẹpcủa dòng làm vận tốc thay đổi, một phần áp suất thủy tĩnh của dòng chuyển thành ápsuất động lực

3.7 TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Bin, Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm,

NXB khoa học và kỹ thuật, 2007

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

NXB khoa học và kỹ thuật, 2012

[3] Phạm Văn Vĩnh, Cơ học chất lỏng ứng dụng, NXB giáo dục, 2000

[4] Nguyễn Bin, Tính toán quá trình, thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực

phẩm, NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 1999