Báo cáo Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Bài 1: Mạch lưu chất - Thái Đỗ Hương Trà

Nội dung text: Báo cáo Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Bài 1: Mạch lưu chất - Thái Đỗ Hương Trà

1. Báo cáo thí nghiệm: MẠCH LƯU CHẤT I. Trích yếu: 1) Mục đích thí nghiệm: Khảo sát sự chảy của nước ở phòng thí nghiệm trong một hệ thống ống dẫn có đường kính khác nhau và có chứa lưu lượng kế màng chắn, venturi, cùng các bộ phận nối ống như cút, van chữ T nhằm: • Thí nghiệm 1 : khảo sát độ giảm áp suất khi dòng chảy đi qua màng chắn và venturi với các chế độ chảy khác nhau để trắc định hệ số lưu lượng kế của màng chắn và venturi. • Thí nghiệm 2 : khảo sát độ giảm áp suất trên những đoạn ống có đường kính và chiều dài khác nhau (1” và ½”), nhằm thiết lập giản đồ tổn thất ma sát f theo chế độ chảy (Re) cho các ống đó, từ đó xác định hệ số ma sát trong ống dẫn. • Thí nghiệm 3 : ứng với những độ mở van khác nhau ta khảo sát độ sụp áp 2 bên van với những chế độ chảy khác nhau, từ đó thiết lập giản đồ đặc tuyến van, qua đó xác định loại van, phạm vi ứng dụng của van. Ngoài ra thí nghiệm 3 còn dùng để xác định chiều dài tương đương (Ltđ). 2) Nội dung thí nghiệm: • Thí ngiệm 1 : Cho dòng chảy lưu chất qua thiết bị có gắn lưu lượng kế màng chắn và venturi. Đọc tổn thất cột áp ứng với từng lưu lượng dòng chảy và từng lưu lượng kế. • Thí nghiệm 2 : Cho dòng lưu chất chảy qua màng chắn và lần lượt qua ống 1” và ống ½”. Chỉnh van để thay đổi lưu lượng dòng chảy, đọc tổn thất cột áp của màng chắn và ống. Lặp lại thí nghiệm với chiều dài ống l=0.9m và l=1.5m • Thí nghiệm 3 : Cho dòng lưu chất chảy qua màng chắn và van. Ứng với từng độ mở của van, đọc tổn thất cột áp qua màng và van. II. Lý thuyết thí nghiệm: 1) Lưu lượng kế màng chắn và venturi: - Nguyên tắc của hai dụng cụ này là dùng sự giảm áp suất của lưu chất khi chảy qua chúng để đo lưu lượng. - Hai dụng cụ này có cấu tạo như sau: Lưu lượng kế venturi GVHD: Thầy Trần Văn Nghệ Trang 1
2. Báo cáo thí nghiệm: MẠCH LƯU CHẤT 64. 64 f D.V. Re b) Với chế độ chảy rối  - Hệ số ma sát f tùy thuộc vào Re và độ nhám tương đối của ống ( ). Độ nhám D tương đối của ống là tỷ số giữa độ nhám thành  trên đường kính ống D. - Người ta có thể tính f từ một số phương trình thực nghiệm như phương trình  Nikuradse, hay để thuận tiện người ta sử dụng giản đồ f theo Re và (giản đồ D Moody). - Ngoài sự mất mát năng lượng do ma sát trong ống dẫn nói trên, ta còn có sự mất mát năng lượng do trở lực cục bộ. Trong trường hợp này ta có công thức tính trở lực cục bộ như sau: l .v 2 P f td (1) cb 2.g.D ltd: chiều dài tương đương của cút, van, Chiều dài tương đương được định nghĩa như chiều dài của một đoạn ống thẳng có cùng tổn thất năng lượng tại van, cút trong điều kiện như nhau. Trở lực này bằng thế năng riêng tiêu tốn để thắng trở lực do bộ phận ta đang xét gây ra: v 2 P  (2) cb 2g l Từ (1) và (2), ta có:  f td D .D Từ đó ta có: l td f 3) Bơm: a) Phân loại: theo nguyên lý hoạt động - Bơm thể tích: ➢ Chuyển động tịnh tiến : bơm pittong. ➢ Chuyển động quay : bơm roto. - Bơm động lực: ➢ Bơm ly tâm. ➢ Bơm hướng trục. ➢ Bơm xoáy lốc. - Bơm khí động: ➢ Bơm ejector. ➢ Thùng nén. GVHD: Thầy Trần Văn Nghệ Trang 3
3. Báo cáo thí nghiệm: MẠCH LƯU CHẤT - Cho bơm chạy và từ từ, mở van 13 sau đó khoá lại và kiểm tra mức nước trong cột áp kế màng và venturi có bằng nhau chưa. Nếu các cột chất lỏng bằng nhau trong từng nhánh (của màng và venturi) chúng ta tiến hành làm thí nghiệm. Còn nếu chưa bằng nhau thì tiếp tục mở, đóng van 13. - Khi mức chất lỏng trong cột áp của màng chắn hay venturi đã bằng nhau, ta tiến hành làm thí nghiệm. - Ta chọn lưu lượng trước tùy ý. Từ từ mở van 15. Ứng với mỗi độ mở van 15 với lưu lượng đã chọn ta đọc cột áp của venturi, màng chắn và thời gian. Khi hết nước trong bình chứa phải đóng van 15 lại, mở van 13 và mở van 16 cho nước vào bình chứa. Lập lại thí nghiệm này từ 2 đến 3 lần. Chú ý: Các van V1, V2, , V10; V1’, V2’, , V10’ và Vk1, Vk2, , Vk5 dùng để điều chỉnh khi mức nước trong các cột áp kế bị mất hoàn toàn. 2.Thí nghiệm 2: Thiết lập giản đồ f theo Re cho ống 1” và ½” a. Cho ống 1” Ta giữ nguyên độ mở của các van trong thí nghiệm 1. mở van VA2, đóng van VB1. Kiểm tra mức nước trong cột áp kế ống 1”. Nếu mức nước bằng nhau thì ta tiến hành thí nghiệm. Dùng van 13 để chỉnh lưu lượng (giống chỉnh van 15 trong thí nghiệm 1). Ứng với mỗi độ mở của van 13 ta đọc độ giảm áp của màng chắn và ống 1” ở độ dài l = 0.9m. Van 13 chỉnh đến độ mở tối đa. Đo xong cho đoạn 0.9m ta khoá van VA2 và mở VB1, tiếp tục đo độ giảm áp cho đoạn ống 1” với l = 1.5 m. b. Cho ống ½” Ta mở van 12, đóng van số 2. Mở van VA2”, đóng van VA3”. Tương tự như đo trên ống 1”, ta kiểm tra mức nước trong cột áp kế của ống ½”. Nếu bằng nhau ta tiến hành đo. Nếu không bằng nhau ta dùng van 13 để chỉnh mức chất lỏng (đóng rồi mở van 13). Khi nào mức chất lỏng trong cột áp bằng nhau rồi tiến hành đo. Đo xong đoạn 0.9m, ta khoá VA2” và VA3” rồi tiến hành đo đoạn l = 1.5m. 3. Thí nghiệm 3: Sau khi tiến hành thí nghiệm xong trên ống ½”, mở van số 2 và đóng van số 12 để tiến hành thí nghiệm 3. Ta đóng van VB1. Van số 9 vẫn để mở hoàn toàn. Dùng van 13 để chỉnh lưu lượng giống thí nghiệm 2. Ứng với mỗi độ mở của van 13 ta đọc độ giảm áp của màng và van. Xong thí nghiệm với độ mở hoàn toàn ta đóng van số 9 lại 1 vòng ½ sẽ được độ mở ¾, rồi tiếp tục đo như trên. Khi nào mở hết cỡ van 13, lúc đó độ giảm áp của màng và van không thay đổi, nghĩa là đo độ mở ¾ đã xong. Tiếp tục khoá van số 9 thêm 1 vòng ½ nữa ta sẽ được độ mở ¼ rồi tiếp tục đo. Như vậy ta đã thí nghiệm xong với 4 độ mở khác nhau của van số 9 : mở hoàn toàn, mở ¾, mở ½ và độ mở ¼. Trở lực theo độ mở của van cho trong bảng sau : GVHD: Thầy Trần Văn Nghệ Trang 5
4. Báo cáo thí nghiệm: MẠCH LƯU CHẤT 1 1 0.4 1 0.4 2 3 0.6 3.5 0.6 3 6.5 0.8 6 0.68 4 11.5 1.6 11 1.4 5 17 1.7 17 2.2 6 21 1.9 24 2.6 7 27.5 2.4 29.5 3.9 8 34 3.3 36.5 4.6 9 36.5 4.0 41.5 5.2 10 40 4.1 47 6 11 45.5 4.6 52.5 6.7 12 49 5.0 55 7.1 13 52.5 5.3 57.5 7.2 14 55 5.5 60 7.4 15 56.5 5.9 61.5 7.6 Ống ½”: Chiều dài L = 0,9m Chiều dài L = 1,5m STT Pm (cmH2O) Pống (cmH2O) Pm (cmH2O) Pống (cmH2O) 1 2 4.5 2 6.5 2 4 12.4 2 7.8 3 8 21.8 4.5 15.4 4 11 31.1 13 26.7 5 16 42.4 16 39 6 19 51.2 17 48.9 7 22.5 60.9 21 60.4 8 27 72.4 24 73.8 9 30 79.9 28 80.5 10 32.5 86.1 31.5 89 11 35 92.4 33.5 95 12 36 95.1 35.5 99.8 13 38 100.2 37 104.5 14 40 103.7 38.5 107.5 15 40.5 105 39.5 110.2 16 41 105.6 40 111.3 41.5 106.5 41 113.9 Độ mở hoàn toàn: Độ mở hoàn toàn STT Pm (cmH2O) Pvan (cmH2O) 1 3.5 0.2 2 6.5 0.25 3 31 0.3 GVHD: Thầy Trần Văn Nghệ Trang 7
5. Báo cáo thí nghiệm: MẠCH LƯU CHẤT Độ mở ¼: Độ mở 1/4 Pm (cmH2O) Pvan (cmH2O) 9.5 1.4 18 22.1 30 55.5 36 84 39 101 41 110 42 116.5 43 118.5 43.5 119.5 44 121 44.5 123.5 44.5 123.9 45 124 B. Tính toán: 1) Thí nghiệm 1: W (m3) t (s) Q (m3/s) v (m/s) ∆Pm ∆Pv Re Cm Cv 0,001 7.84 1.28E-04 0.642 0.04 0.02 12688 0.673 0.951 0,001 5.86 1.71E-04 0.859 0.06 0.03 16975 0.735 1.039 0,002 10.16 1.97E-04 0.991 0.1 0.05 19582 0.656 0.928 0,003 11.36 2.64E-04 1.330 0.15 0.06 26270 0.719 1.137 0,004 14.1 2.84E-04 1.429 0.19 0.08 28220 0.686 1.058 0,005 11.27 4.44E-04 2.234 0.35 0.15 44133 0.791 1.208 0,006 11.22 5.35E-04 2.693 0.52 0.22 53196 0.782 1.202 0,007 11.81 5.93E-04 2.985 0.68 0.29 58961 0.758 1.161 0,008 13.71 5.84E-04 2.939 0.77 0.29 58046 0.701 1.143 GVHD: Thầy Trần Văn Nghệ Trang 9
6. Báo cáo thí nghiệm: MẠCH LƯU CHẤT 1.3 1.2 C 1.1 g n ï ơ ư l 1.0 u ư màng chắn l á o s 0.9 ä venturi e H 0.8 0.7 0.6 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Re Đồ thị 2: Hệ số lưu lượng kế Cm và CV theo Re 2) Thí nghiệm 2: Ống 1”, l = 0.9m: P/ g(mH2O) Pm/ g(mH2O) Q(m3/s) V(m/s) f Re 0.01 0.004 3.62E-04 0.68 4.87E-03 22028 0.03 0.006 8.05E-04 1.52 1.48E-03 48960 0.065 0.008 1.41E-03 2.66 6.41E-04 85895 0.115 0.016 2.14E-03 4.03 5.59E-04 130049 0.17 0.017 2.84E-03 5.35 3.37E-04 172788 0.21 0.019 3.31E-03 6.24 2.77E-04 201480 0.275 0.024 4.03E-03 7.59 2.36E-04 245117 0.34 0.033 4.70E-03 8.85 2.39E-04 285998 0.365 0.046 4.95E-03 9.32 3.00E-04 301138 0.401 0.041 5.30E-03 9.98 2.33E-04 322451 0.455 0.046 5.81E-03 10.94 2.18E-04 353470 0.49 0.05 6.13E-03 11.55 2.12E-04 373036 0.525 0.053 6.45E-03 12.14 2.04E-04 392224 GVHD: Thầy Trần Văn Nghệ Trang 11
7. Báo cáo thí nghiệm: MẠCH LƯU CHẤT Ống ½”, l = 0.9 m : P/ g(mH2O) Pm/ g(mH2O) Q(m3/s) V(m/s) f Re 0.02 0.045 5.99E-04 3.95 8.74E-04 68200 0.04 0.124 9.92E-04 6.54 8.79E-04 112884 0.08 0.218 1.64E-03 10.82 5.64E-04 186846 0.11 0.311 2.07E-03 13.64 5.07E-04 235521 0.16 0.424 2.72E-03 17.91 4.01E-04 309266 0.19 0.512 3.08E-03 20.29 3.77E-04 350421 0.225 0.609 3.48E-03 22.95 3.50E-04 396254 0.27 0.724 3.98E-03 26.20 3.20E-04 452416 0.3 0.799 4.29E-03 28.29 3.03E-04 488432 0.325 0.861 4.55E-03 29.98 2.90E-04 517697 0.35 0.924 4.80E-03 31.64 2.80E-04 546354 0.36 0.951 4.90E-03 32.30 2.76E-04 557659 0.38 1.002 5.10E-03 33.59 2.69E-04 580015 Ống 1/2”, l = 1.5m: P/ g(mH2O) Pm/ g(mH2O) Q(m3/s) V(m/s) f Re 0.02 0.065 5.99E-04 3.95 7.58E-04 68200 0.02 0.078 5.99E-04 3.95 9.09E-04 68200 0.045 0.154 1.08E-03 7.12 5.52E-04 122977 0.13 0.267 2.34E-03 15.40 2.05E-04 265934 0.16 0.39 2.72E-03 17.91 2.21E-04 309266 0.17 0.489 2.84E-03 18.72 2.54E-04 323201 0.21 0.604 3.31E-03 21.83 2.31E-04 376869 0.24 0.738 3.65E-03 24.05 2.32E-04 415289 0.28 0.805 4.08E-03 26.90 2.02E-04 464537 0.315 0.89 4.45E-03 29.31 1.88E-04 506067 0.335 0.95 4.65E-03 30.65 1.84E-04 529230 0.355 0.998 4.85E-03 31.97 1.78E-04 552017 0.37 1.045 5.00E-03 32.95 1.75E-04 568878 GVHD: Thầy Trần Văn Nghệ Trang 13
8. Báo cáo thí nghiệm: MẠCH LƯU CHẤT Mở ¾: P 2 van Pm v / 2g ltđ g g Q (m3/s) v (m/s) Re f 0.002 0.075 0.0016 2.951 0.4439 95312 0.15800 0.0428 0.002 0.145 0.0025 4.7656 1.1575 153919 0.10261 0.0659 0.007 0.165 0.0028 5.2349 1.3968 169079 0.09429 0.0717 0.009 0.2 0.0032 6.0207 1.8476 194458 0.08313 0.0813 0.012 0.205 0.0033 6.1298 1.9151 197981 0.08180 0.0826 0.014 0.3 0.0043 8.0848 3.3315 261123 0.06375 0.106 0.015 0.3633 0.0049 9.2921 4.4008 300117 0.05624 0.1202 0.017 0.365 0.0050 9.3237 4.4307 301138 0.05606 0.1206 0.017 0.39 0.0052 9.7837 4.8788 315996 0.05369 0.1259 0.018 0.4 0.0053 9.9655 5.0617 321866 0.05280 0.128 0.018 0.415 0.0054 10.236 5.34 330597 0.05154 0.1311 0.019 0.435 0.0056 10.592 5.7183 342105 0.04998 0.1353 0.019 0.44 0.0057 10.68 5.8141 344960 0.04961 0.1363 Mở ½: P 2 l Pvan m v / 2g tđ g g Q (m3/s) v (m/s) Re f 0.005 0.05 0.0012 2.1976 0.2462 70979 0.20603 0.26 0.02 0.145 0.0025 4.7656 1.1575 153919 0.10261 0.522 0.05 0.24 0.0036 6.8741 2.4084 222020 0.07377 0.726 0.073 0.305 0.0043 8.1825 3.4125 264280 0.06306 0.8493 0.085 0.34 0.0047 8.8549 3.9964 285998 0.05873 0.912 0.095 0.38 0.0051 9.6007 4.6979 310085 0.05461 0.9808 0.101 0.4 0.0053 9.9655 5.0617 321866 0.05280 1.0143 0.102 0.425 0.0055 10.415 5.5281 336370 0.05075 1.0554 0.107 0.43 0.0056 10.503 5.623 339242 0.05036 1.0635 0.109 0.435 0.0056 10.592 5.7183 342105 0.04998 1.0716 0.11 0.44 0.0057 10.68 5.8141 344960 0.04961 1.0797 0.11 0.44 0.0057 10.68 5.8141 344960 0.04961 1.0797 0.115 0.44 0.0057 10.68 5.8141 344960 0.04961 1.0797 Mở ¼: GVHD: Thầy Trần Văn Nghệ Trang 15
9. Báo cáo thí nghiệm: MẠCH LƯU CHẤT 4) Đặc tuyến van: - Chọn Pvan / g = 0.02 - Từ đồ thị lưu lượng Q theo độ mở của van ta tìm được các lưu lượng. - Chia cho lưu lượng của độ mở hoàn toàn ta có bảng số liệu sau: Độ mở Q Q/Qmax 0,25 16.827E-4 0.252 0,50 16.8E-4 0.2517 0,75 38.494E-4 0.5767 1,00 66.745E-4 1 1.0 Đặc tuyến riêng và đặc tuyến van gắn vào mạng ống 0.9 0.8 0.7 x a 0.6 m Q / 0.5 Q 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Độ mở van V. Bàn luận: 1. Nhận xét các giản đồ và so sánh kết quả: a) Thí nghiệm 1 : Hệ số lưu lượng kế Cm và Cv theo chế độ chảy (Re) ▪ So sánh Cm và Cv : P.2g V C (1  4 ) GVHD: Thầy Trần Văn Nghệ Trang 17
10. Báo cáo thí nghiệm: MẠCH LƯU CHẤT ▪ Đặc tuyến van : Thực nghiệm cho thấy đặc tuyến van có dạng lõm ( dưới đường 450 ) như trên giản đồ nên đây là van cầu, được sử dụng khi cần lưu lượng nhỏ và khi muốn điều chỉnh lưu lượng tăng hoặc giảm với lượng nhỏ. Do có hiện tượng giảm áp suất của lưu chất khi chảy qua van nên ngoài chức năng thay đổi lưu lượng dòng chảy, van còn được sử dụng làm van tiết lưu trong các hệ thống khác. 2. Sai số mắc phải khi làm thí nghiệm: Thí nghiệm tiến hành chưa được chính xác.Nguyên nhân: ▪ Các giá trị tổn thất cột áp xác định bằng mắt và dao động liên tục nên kết quả thu được có sai số: sai số hệ thống của thiết bị, thước đo, sai số ngẫu nhiên do đọc giá trị. ▪ Một vài số liệu xác định được là do kết quả của thí nghiệm trước nên sẽ dẫn đến hiện tượng sai số được lặp lại nhiều lần. ▪ Các ống dẫn trong thí nghiệm có độ nhám không đồng nhất , bị đóng cặn Thiết bị cũ nên có nhiều chỗ bị rò rỉ. Do đó chất lỏng bị rò rỉ trên đường ống gây tổn thất năng lượng. Ngoài ra, một số van bị hư, trong quá trình thí nghiệm phải thường xuyên để mắt đến chúng. ▪ Trong phòng thí nghiệm có nhiều hệ thống thiết bị hoạt động cùng lúc, do đó điện áp vào bơm không ổn định. Vì vậy hoạt động của bơm không ổn định. ▪ Ta không thể mở van đúng độ mở theo yêu cầu thí nghiệm. Và giữa các lần thí nghiệm độ mở của van cũng khác nhau. Do đó có sai số giữa các lần đo. VI. Phụ lục: 1. Đổi đơn vị ▪ Nước 30oC :  = 0.8007 Cp = 0.8007.10-3Pa.s = 996kg/m3 = 996g/lít. ▪ Ống 1” D = 0.026m ▪ Ống ½” D = 0.0139m W 2. Xác định lưu lượng Q: Q (l/s) t 3. Xác định hệ số lưu lượng Cm và Cv : P.2g V C (1  4 ) V 4Q C 2 2g P 2g P d 2 1  4 1  4 1.59  0.6115 2.6 P : mH2O d = 0.0159m Q : m3/s 4. Xác định Re : GVHD: Thầy Trần Văn Nghệ Trang 19