Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Cột chém

Nội dung text: Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Cột chém

1. I. TRÍCH YẾU: 1) Mục đích thí nghiệm: Khảo sát đặc tính động lực học lưu chất và khả năng hoạt động của cột chêm bằng cách xác định: 1. Ảnh hưởng của vận tốc khí và lỏng lên độ giảm áp suất của dòng khí qua cột. 2. Sự biến đổi của hệ số ma sát fck trong cột theo chuẩn số Reynolds Rec của dòng khí và suy ra các hệ thức thực nghiệm. 3. Sự biến đổi của thừa số  liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí khi cột khô và khi cột ướt với vận tốc dòng lỏng. 4. Giản đồ hạn định khả năng hoạt động của cột (giản đồ ngập lụt và gia trọng). 2) Kết quả thí nghiệm: Kết quả thô: ∆ Pck ∆ Pcư ∆ Pcư ∆ Pcư ∆ Pcư ∆ Pcư ∆ Pcư ∆ Pcư STT G(%) L=0 L=0.2 L=0.4 L=0.6 L=0.8 L=1 L=1.2 L=1.4 1 10 2 2 2 3 4 7 5 7 2 15 4 4 5 5 6 9 7 9 3 20 5 6 7 7 8 11 9 12 4 25 7 9 10 9 12 14 11 14 5 30 10 13 14 11 16 17 13 17 6 35 14 15 17 13 18 19 18 19 7 40 16 19 20 15 23 23 57 60 8 45 19 24 25 17 25 71 67 67 9 50 24 29 30 25 28 74 72 73 10 55 27 33 36 33 58 83 77 117 11 60 33 38 43 42 60 93 97 147 12 65 37 44 49 52 64 104 138 178 13 70 43 52 58 58 71 145 148 14 75 48 60 61 70 103 152 169 15 80 56 68 73 80 118 165 16 85 62 72 78 84 123 17 90 69 79 85 90 160 18 95 77 84 94 108 171 19 100 85 90 105 130 II. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM: 1) Độ giảm áp của dòng khí: Độ giảm áp Pck của dòng khí qua cột chêm phụ thuộc vào vận tốc khối lượng G của khí khi cột khô (không có dòng lỏng chảy ngược chiều). Khi dòng khí chuyển động
2. Với: • Z: chiều cao phần chêm (m). • G: vận tốc khối lượng dòng khí dựa trên một đơn vị tiết diện cột (Kg/m2.s). • Dh : kích thước đặc trưng của vật chêm (m). 3 • g : khối lượng riêng của pha khí ( kg / m ) •  h : hệ số điều chỉnh dùng cho vật chêm rỗng. •  w : hệ số điều chỉnh ảnh hưởng của thành cột lên độ xốp của cột chêm. Sherwood tổng hợp kết quả của một số nghiên cứu và đưa ra trị số sau cho vòng sứ Raschig 12,7mm:  h = 0,35  w = 1,0 Tuy nhiên, Zhavoronkov đề nghị một hệ thức khác chính xác hơn vì đã đưa được trị số độ xốp của cột chêm vào hệ thức: 2 2 f ck G Z 2 Pck 2 ( N / m ) (3)  g De Với •  : độ xốp của vật chêm (không thứ nguyên). 4 • D : đường kính tương đương của vật chêm (m) e a • a : diện tích bề mặt riêng của vật chêm (m2/m3). Hệ số ma sát fck là hàm số theo chuẩn số vô thứ nguyên Rec với Rec được tính theo công thức sau: GD 4G Re e (4) c  a Với: độ nhớt của dòng khí ( Kg/m.s ). Zhavoronkov đã xác định được khi dòng khí chuyển từ chế độ chảy tầng sang chảy rối ứng với trị số Rec = 50. Trong vùng chảy rối, 50 < Rec < 7000 với cột chêm ngẫu nhiên: 3,8 fck 0.2 (5) Rec Tuy nhiên, các hệ thức tổng quát trên không được chính xác lắm vì không kể được toàn bộ ảnh hưởng của hình dạng vật chêm.
3. Zhavoronkov kết luận rằng trạng thái ngập lụt xảy ra khi hai nhóm số sau có sự liên hệ nhất định với nhau cho mỗi cột. 2 f ck .a v G 0.2 1 2 . .td (15)  2g L L G và  2 (16) G L Với: •f ck : hệ số ma sát cột khô được tính từ hệ thức liên lạc với Rec. • v : vận tốc dài của khí ngay trước khi vào cột chêm ( m/s) • : độ nhớt tương đối của chất lỏng so với nước td =  /  , nếu chất lỏng là nước thì = 1. td lỏng nước td Do đó sự liên hệ giữa 1 và  2 trên giản đồ log1 log 2 sẽ xác định một giản đồ lụt của cột chêm, phần giới hạn hoạt động của cột chêm ở dưới đường này. log1 Hình 2: Biểu đồ lụt của cột chêm log  2 III. SƠ ĐỒ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: 1) Sơ đồ thiết bị thí nghiệm: Thiết bị thí nghiệm gồm có: 1. Cột thủy tinh, bên trong là các vòng sứ Raschig xếp chêm ngẫu nhiên. 2. Hệ thống cấp khí gồm: • Bơm ( quạt ) thổi khí BK. • Ống dẫn khí. • Áp kế sai biệt chữ U. • Lưu lượng kế khí FK có độ chia từ 8 đến 100%.
4. 3) Phương pháp thí nghiệm: 1. Khóa tất cả các van lỏng ( từ 1 đến 4 ). 2. Mở van 5 và khóa van 6. 3. Cho quạt chạy trong 5 phút để thổi hết ẩm trong cột. Tắt quạt. 4. Mở van 1 và 2. Sau đó cho bơm chạy. 5. Mở van 3 và từ từ khóa van 1 để chỉnh mức lỏng ở đáy cột ngang bằng với ống định mức g. Tắt bơm và khóa van 3. 6. Đo độ giảm áp của cột khô: • Khóa tất cả các van lỏng lại. Mở van 6 còn van 5 vẫn đóng. Cho quạt chạy rồi từ từ mở van 5 để chỉnh lưu lượng khí vào cột. • Kiểm tra lại 2 mực nước trong áp kế P ngang nhau. • Ưùng với mỗi giá trị lưu lượng khí đã chọn ta đọc ∆Pck trên áp kế U theo mmH2O. Đo xong tắt quạt nghỉ 5 phút. 7. Đo độ giảm áp khi cột ướt: • Mở quạt và điều chỉnh lưu lượng khí qua cột khoảng 15 – 20%. • Mở van 1 và cho bơm chạy. Dùng van VL tại lưu lượng kế để chỉnh lưu lượng lỏng ( lưu lượng kế lỏng có vạch chia 0.1; 0.2; ; 1.6 ). Nếu VL đã mở tối đa mà phao vẫn không lên thì dùng van 1 để tăng lượng lỏng. • Mở van tháo 4 (và van 2 nếu cần) để nước thoát về thùng N sao cho vẫn giữ nguyên được cột nước ở đáy cột (khoảng 3/4 chiều cao ống chỉ mực chất lỏng). • Ưùng với lưu lượng lỏng đã chọn ( ví dụ: 0.1; 0.2; ) cố định, ta chỉnh lưu lượng khí và đọc độ giảm áp ∆Pcư giống như ∆Pck trước đó. Chú ý là tăng lượng khí đến điểm lụt thì thôi. • Tắt BL trước rồi BK sau để tránh nước có thể tràn vào đường ống dẫn khí. 4) Những điểm cần lưu ý trong thí nghiệm: - Cần canh giữ mức chất lỏng ở đáy cột luôn ổn định ở ¾ chiều cao đáy. Nếu để mực nước thấp thì dòng khí đi ra sẽ chuyển động xoáy xuống phía dưới tạo ra áp suất không ổn định làm cho hệ dao động, khó khảo sát ( đây là chuyển động Gauss ). Nếu để mực chất lỏng quá cao thì không gian phía tên dành cho khí nhỏ nên áp suất tạo ra sẽ lớn và dễ gây ra hiện tượng ngập lụt. - Khi có hiện tượng ngập lụt là phải dừng ngay thínnghiệm. - Khi chỉnh xong lưu lượng dòng khí và dòng lỏng xong phải tiến hành đọc ngay kết quả.
5. 0.25 0.20 88.29 210.21 1.91 110.32 1.29 2.32 0.3 0.24 127.53 303.64 1.86 132.38 1.30 2.48 0.35 0.28 147.15 350.36 1.49 154.44 1.07 2.54 0.4 0.31 186.39 443.79 1.60 176.50 1.19 2.65 0.45 0.35 235.44 560.57 1.67 198.57 1.26 2.75 0.5 0.39 284.49 677.36 1.56 220.63 1.21 2.83 0.55 0.43 323.73 770.79 1.55 242.69 1.22 2.89 0.6 0.47 372.78 887.57 1.43 264.76 1.15 2.95 0.65 0.51 431.64 1027.71 1.46 286.82 1.19 3.01 0.7 0.55 510.12 1214.57 1.46 308.88 1.21 3.08 0.75 0.59 588.60 1401.43 1.49 330.95 1.25 3.15 0.8 0.63 667.08 1588.29 1.43 353.01 1.21 3.20 0.85 0.67 706.32 1681.71 1.35 375.07 1.16 3.23 0.9 0.71 774.99 1845.21 1.31 397.13 1.14 3.27 0.95 0.75 824.04 1962.00 1.24 419.20 1.09 3.29 1 0.79 882.90 2102.14 1.19 441.26 1.06 3.32 3) Trị số kết quả cho trường hợp L = 0,4: G, ∆ P ∆ P /Z, G(%) cư cư f =σ.f Re σ log(∆P /Z) kg/s.m2 N/m2 (N/m2)/m cư ck cư cư 0.1 0.08 19.62 46.71 1.78 44.13 1.00 1.67 0.15 0.12 49.05 116.79 2.05 66.19 1.25 2.07 0.2 0.16 68.67 163.50 2.17 88.25 1.40 2.21 0.25 0.20 98.10 233.57 2.12 110.32 1.43 2.37 0.3 0.24 137.34 327.00 2.00 132.38 1.40 2.51 0.35 0.28 166.77 397.07 1.68 154.44 1.21 2.60 0.4 0.31 196.20 467.14 1.69 176.50 1.25 2.67 0.45 0.35 245.25 583.93 1.74 198.57 1.32 2.77 0.5 0.39 294.30 700.71 1.61 220.63 1.25 2.85 0.55 0.43 353.16 840.86 1.69 242.69 1.33 2.92 0.6 0.47 421.83 1004.36 1.62 264.76 1.30 3.00 0.65 0.51 480.69 1144.50 1.62 286.82 1.32 3.06 0.7 0.55 568.98 1354.71 1.63 308.88 1.35 3.13 0.75 0.59 598.41 1424.79 1.51 330.95 1.27 3.15 0.8 0.63 716.13 1705.07 1.53 353.01 1.30 3.23 0.85 0.67 765.18 1821.86 1.46 375.07 1.26 3.26 0.9 0.71 833.85 1985.36 1.41 397.13 1.23 3.30 0.95 0.75 922.14 2195.57 1.39 419.20 1.22 3.34 1 0.79 1030.05 2452.50 1.39 441.26 1.24 3.39
6. 0.9 0.71 1569.60 3737.14 2.66 397.13 2.32 3.57 0.95 0.75 1677.51 3994.07 2.52 419.20 2.22 3.60 6) Trị số kết quả cho trường hợp L = 1: G, ∆ P ∆ P /Z, G(%) cư cư f =σ.f Re σ log(∆P /Z) kg/s.m2 N/m2 (N/m2)/m cư ck cư cư 0.1 0.08 68.67 163.50 6.24 44.13 3.50 2.21 0.15 0.12 88.29 210.21 3.70 66.19 2.25 2.32 0.2 0.16 107.91 256.93 3.41 88.25 2.20 2.41 0.25 0.20 137.34 327.00 2.97 110.32 2.00 2.51 0.3 0.24 166.77 397.07 2.43 132.38 1.70 2.60 0.35 0.28 186.39 443.79 1.88 154.44 1.36 2.65 0.4 0.31 225.63 537.21 1.94 176.50 1.44 2.73 0.45 0.35 696.51 1658.36 4.93 198.57 3.74 3.22 0.5 0.39 725.94 1728.43 3.98 220.63 3.08 3.24 0.55 0.43 814.23 1938.64 3.89 242.69 3.07 3.29 0.6 0.47 912.33 2172.21 3.51 264.76 2.82 3.34 0.65 0.51 1020.24 2429.14 3.44 286.82 2.81 3.39 0.7 0.55 1422.45 3386.79 4.07 308.88 3.37 3.53 0.75 0.59 1491.12 3550.29 3.77 330.95 3.17 3.55 0.8 0.63 1618.65 3853.93 3.46 353.01 2.95 3.59 7) Trị số kết quả cho trường hợp L = 1.2: G, ∆ Pcư ∆ Pcư/Z, log(∆ G(%) 2 2 2 fcư =σ.fck Recư σ kg/s.m N/m (N/m )/m Pcư/Z) 0.1 0.08 49.05 116.79 4.45 44.13 2.50 2.07 0.15 0.12 68.67 163.50 2.88 66.19 1.75 2.21 0.2 0.16 88.29 210.21 2.79 88.25 1.80 2.32 0.25 0.20 107.91 256.93 2.33 110.32 1.57 2.41 0.3 0.24 127.53 303.64 1.86 132.38 1.30 2.48 0.35 0.28 176.58 420.43 1.78 154.44 1.29 2.62 0.4 0.31 559.17 1331.36 4.81 176.50 3.56 3.12 0.45 0.35 657.27 1564.93 4.65 198.57 3.53 3.19 0.5 0.39 706.32 1681.71 3.87 220.63 3.00 3.23 0.55 0.43 755.37 1798.50 3.61 242.69 2.85 3.25 0.6 0.47 951.57 2265.64 3.66 264.76 2.94 3.36 0.65 0.51 1353.78 3223.29 4.57 286.82 3.73 3.51 0.7 0.55 1451.88 3456.86 4.16 308.88 3.44 3.54 0.75 0.59 1657.89 3947.36 4.19 330.95 3.52 3.60
7. Đồ thị log(∆Pck/Z) theo log(G) Đồ thị log(∆Pck/Z) theo log(G) ứng với từng giá trị L
8. Đồ thị Log(σ) theo logL Giản đồ lụt
9. log( Pc/Z) L3 L2 L1 L L = 0 G logG Hình 1: Ảnh hưởng của G và L đối với độ giảm áp Pc L: điểm lụt. G: điểm gia trọng. L1, L2, L3: vận tốc khối lượng khác nhau của pha lỏng. - Khi cột khô: dòng khí chuyển động qua các khoảng trống giữa các vật chêm và độ giảm áp Pck tăng đều đặn theo lũy thừa từ 1,8 đến 2 của vận tốc dòng khí G: n Pck = .G (Với: + : hằng số; + n = 1,8  2) - Khi cột ướt: các khoảng trống giữa các vật chêm bị dòng lỏng làm cho hẹp lại nên dòng khí di chuyển khó khăn hơn. Đối với cùng một lưu lượng của dòng lỏng ta có quan hệ của độ giảm áp Pcư và vận tốc dòng khí G như sau: - Khi G nhỏ, sự phụ thuộc có tính chất như trong trường hợp cột khô: tăng đều đặn. - Khi G tăng và đạt đến một trị số gọi là trị số tới hạn (ứng với điểm gia trọng của cột chêm) thì Pcư tăng vọt hẳn lên. - Nếu tiếp tục tăng G thì sự cản trở của dòng lỏng đối với dòng khí (và ngược lại) là lớn, tiến dần tới điểm lụt của cột; khi đó độ giảm áp là rất lớn. 2) Mục đích và cách sử dụng giản đồ f theo Re : f : là một thừa số ma sát đặc trưng cho độ giảm áp của dòng khí qua cột chêm. Dựa vào giản đồ biểu diễn sự phụ thuộc f _ Re ta suy ra độ giảm áp như sau: - Xác định chuẩn số Re của dòng khí. - Dùng đồ thị suy ra giá trị của f ứng với số Re vừa có. - Áp dụng công thức (2) hay (3) để tính ra độ giảm áp P. 3) Sự liên hệ giữa các đối tượng khảo sát :
10. Tính Re theo công thức (4) với các giá trị lấy như sau 2 3 ―5 a= 375 m /m , 휇 = 1.9 10 Pa.S Tính  bằng công thức: ∆푃 ư 휎 = ∆푃 Tính fck theo công thức (5) 3) Tính toán lụt: 2 f ck .a v G 0.2 1 2 . .td  2g L L G  2 G L Trong đó ε =0.586 v = (G(%)x0.286)/ (60xF) 휇푡 = 1 ( do ở đây sử dụngchất lỏng là nước) 4) Đồ thị : sử dụng công cụ Add trendline của Excel VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bộ môn Máy và Thiết bị, “ Bảng tra cứu Quá trình cơ học truyền nhiệt-truyền khối”, NXB Đại học quốc gia Tp.HCM, 2008.