Thí nghiệm quá trình thiết bị - Mạch lưu chất - Bài 1

Nội dung text: Thí nghiệm quá trình thiết bị - Mạch lưu chất - Bài 1

1. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Mạch lưu chất TRÍCH YẾU : 1.1. 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, ventruri cùng các bộ phận nối ống như cut, van, chữ T. - Mục đích từng thí nhiệm: Thí nghiệm 1: Xác định hệ số lưu lượng của màng chắn Cm và venture Cv theo chế độ chảy. Thí nghiệm 2: Xác định thừa số ma sát f trong ống dẫn. Thí nghiệm 3: Xác định chiều dài tương đương, từ đo xác định trở lực cục bộ để xây doing đặc tuyến riêng và đặc tuyến van gắn vào mạng ống này. 1.2. Phương pháp: - 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 từ đó xác định được hệ số lưu lượng của hai lưu lượng kế trên. - Thí nghiệm 2: cũng dựa vào việc khảo sát độ giảm áp suất trên những đọan ống có đường kính và chiều dài khác nhau để xác định hệ số ma sát trong ống dẫn. - Thí nghiệm 3: ứng với mỗi độ mở van khác nhau, ta khảo sát độ sụt áp hai bên van với những chế độ chảy khác nhau, từ đó tính tóan ra chiều dài tương đương, xây dựng đặc tuyến riêng và đặc tuyến van. 1.3. Kết quả thí nghiệm: số liệu thô 1.3.1. Thí nghiệm 1 Bảng 1 Thời gian ứng với lưu lượng đã chọn W (l) t (s) 1.00 7.04 1.00 6.43 2.00 9.17 3.00 9.47 4.00 9.96 5.00 12.92 6.00 12.62 7.00 14.04 8.00 15.30
2. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Mạch lưu chất 5.50 -7.00 12.50 23.50 -43.00 66.50 3.50 -10.00 13.50 22.50 -49.00 71.50 2.7 -11 13.70 22.2 -51 73.20 2.4 -11.5 13.90 22 -51.8 73.80 2.5 -11.6 14.10 22.2 -52 74.20 Bảng 5 Độ giảm áp của ống ½” và màng chắn (L=0.9) ΔP (cmH2O) ΔPm (cmH2O) P1 P2 ΔP Pm1 Pm2 ΔPm 44.90 44.10 0.80 42.40 42.30 0.10 43.50 41.80 1.70 40.50 40.00 0.50 40.50 2.50 38.00 19.50 -1.70 21.20 41.00 -9.30 50.30 12.50 -16.30 28.80 41.70 -16.00 57.70 8.00 -25.50 33.50 41.70 -20.50 62.20 4.50 -31.50 36.00 41.70 -22.00 63.70 3.00 -33.50 36.50 41.80 -23.30 65.10 2.00 -35.60 37.60 41.80 -23.60 65.40 1.80 -36.00 37.80 41.50 -23.70 65.20 1.50 -36.10 37.60 Bảng 6 Độ giảm áp của ống ½” và màng chắn (L=1.5) ΔP (cmH2O) ΔPm (cmH2O) P1 P2 ΔP Pm1 Pm2 ΔPm 46.40 45.90 0.50 42.80 42.70 0.10 45.00 42.50 2.50 40.50 40.00 0.50 56.50 -25.00 81.50 11.50 -17.70 29.20 58.00 -32.00 90.00 7.50 -25.00 32.50 59.50 -36.00 95.50 5.50 -28.50 34.00 60.00 -38.30 98.30 4.00 -31.50 35.50 60.50 -41.00 101.50 2.30 -34.50 36.80 61.00 -42.30 103.30 1.80 -35.50 37.30 61.50 -42.50 104.00 1.50 -36.00 37.50 1.3.3. Thí nghiệm 3 Bảng 7 Độ giảm áp của van 9 và màng chắn ( độ mở 100%) Pv1(cmH2O) Pv2(cmH2O) ΔPv(cmH2O) Pm1(cmH2O) Pm2(cmH2O) ΔPm(cmH2O) 45.80 45.50 0.30 42.20 42.20 0.00
3. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Mạch lưu chất 1.4. Nhận xét kết quả: Kết quả sai lệch với lý thuyết do sai số xảy ra trong quá trình thí nghiệm. 2. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM : 2.1. Lưu lượng kế màng chắn và venturi: Nguyên tắc của 2 dụng cụ này là sự giảm áp suất của lưu chất khi chảy qua chúng để đo lưu lượng. d1 d2 d 1 d 2 Hình 1: Lưu lượng kế Venturi và màng chắn Vận tốc trung bình ở vị trí (2) được tính từ công thức tổng kê năng lượng : 2 g P V C 2 1  4 Trong đó : C : hệ số của màng chắn và venturi, nó tuỳ thuộc vào chế độ chảy Re. P: Độ giảm áp suất qua màng chắn hay venturi, mH2O d  2 : Tỉ số giữa đường kính cổ venturi hay đường kính lỗ màng chắn trên d 1 đường kính ống. Do đó lưu lượng qua màng chắn hay venturi: Q = V2 A2 = V1 A1 2.2. Tổn thức năng lượng do sự chảy của ống: Khi lưu chất chảy trong ống, ta có sự mất năng lượng do ma sát ở thành ống. Xét trường hợp một ống tròn đều nằm ngang. Từ phương trình Bernoulli ta có : P V 2 Z H 0 g 2g f V 2 Vì 0 và Z 0 2g
4. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Mạch lưu chất v 2 Pcb  2 g So sánh 2 vế của công thức (8) và (9) ta có l  f td D Từ đó ta có  D l td f 3. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: 3.1. Dụng cụ và thiết bị: - Thì kế để tính thời gian. - Số liệu kích thước 4 ống dẫn bằng đồng: Đường kính gọi Đường kính ngoài Đường kính trong 1" (2,54 cm) 1,125" (2,68 cm) 1,025" (2,6 cm) 3/4" (1,90 cm) 0,875" (2,22 cm) 0,785" (2,0 cm) 1/2" (1,27 cm) 0,625" (1,59 cm) 0,545" (1,39 cm) 3/8" (0.951 cm) 0,5" (1,27 cm) 0,43" (1,09 cm) - Độ nhám e = 0,000005 - Màng chắn:lối vào: 2,60 cm đường kính lỗ : 1,59 cm - Venturi: lối vào: 2,60 cm đường kính cổ : 1,59 cm 3.2. Sơ đồ thiết bị: Tham khảo trong tài liệu hướng dẫn Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị, hình 2: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm mạch lưu chất. 3.3. Phương pháp thí nhiệm: Trước khi làm thí nghiệm: - Trước khi mở tắt máy bơm phải đóng van số 13 và số 15 để tránh bọt khí lọt vào hệ thống. - Mở van 14 và đóng van 4 và 5 trong suốt thời gian làm thí nghiệm. 3.3.1. Thí nghiệm 1 - Trắc định lưu lượng kế màng chắn và venture: - Mở van 16 và 17 cho nước vào đến vạch tối đa (48 l) - Mở van 1, 2, 3, 9 và đóng van 12
5. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Mạch lưu chất 1.0 0.14 1.420E- 0.030 0.71 14130.0 0.507 0.864 7.04 8.700 0.0870 3.000 0 2 04 0 5 7 8 8 1.0 0.15 1.555E- 0.030 0.78 15470.5 0.543 0.946 6.43 9.100 0.0910 3.000 0 6 04 0 3 6 6 8 2.0 0.21 2.181E- 0.090 1.09 21695.9 0.527 0.766 9.17 19.000 0.1900 9.000 0 8 04 0 8 1 6 6 3.0 0.31 3.168E- 0.145 1.59 31512.9 0.590 0.877 9.47 32.000 0.3200 14.500 0 7 04 0 5 0 5 3 4.0 0.40 4.016E- 0.175 2.02 39950.0 0.685 1.012 9.96 38.200 0.3820 17.500 0 2 04 0 3 9 2 4 5.0 0.38 3.870E- 0.208 1.94 38496.8 0.601 0.894 12.92 46.000 0.4600 20.800 0 7 04 0 9 0 7 8 6.0 0.47 4.754E- 0.255 2.39 47294.3 0.654 0.992 12.62 58.700 0.5870 25.500 0 5 04 0 4 2 4 8 7.0 0.49 4.986E- 0.285 2.51 49596.1 0.649 0.984 14.04 65.500 0.6550 28.500 0 9 04 0 1 6 6 8 8.0 0.52 5.229E- 0.295 2.63 52013.4 0.666 1.015 15.30 68.500 0.6850 29.500 0 3 04 0 3 5 2 2 0.8000 0.7000 0.6000 0.5000 mang 0.4000 ventuary Δ P/ ρ g Log. (mang) 0.3000 Log. (ventuary) 0.2000 0.1000 0.0000 0.000E+00 1.000E-04 2.000E-04 3.000E-04 4.000E-04 5.000E-04 6.000E-04 Q P P Đồ thị 1 Lưu lượng Q đối với hiệu số thủy đầu m và v g g qua màng chắn và ống venturi
6. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Mạch lưu chất 0.1010 0.5430 4.490E-04 0.846 0.0480 27311.41 0.1170 0.6200 5.340E-04 1.006 0.0393 32487.17 0.1250 0.6650 5.910E-04 1.113 0.0343 35954.89 0.1350 0.7150 6.615E-04 1.246 0.0296 40243.72 0.137 0.732 6.874E-04 1.2946735 0.0278 41815.54 0.139 0.738 6.967E-04 1.3122999 0.0274 42384.84 0.141 0.742 7.030E-04 1.3241839 0.0273 42768.67 0.1400 0.1200 0.1000 0.0800 f 1in 0.9m 0.0600 1 in 1.5m 0.0400 0.0200 0.0000 0.00 10000.00 20000.00 30000.00 40000.00 50000.00 Re Đồ thị 3 Thừa số ma sát theo Re đối với ống 1” 4.2.2. Ống ½”: Bảng 9 Thừa số ma sát trong ống dẫn ½” có chiều dài l=0.9m ΔP (mH2O) ΔPm (mH2O) Q (m3/s) v (m/s) f Re 0.0080 0.0010 1.323E-04 0.872 0.0032 15058.86 0.0170 0.0050 1.335E-04 0.880 0.0067 15195.23 0.3800 0.2120 2.129E-04 1.403 0.0585 24228.09 0.5030 0.2880 2.527E-04 1.665 0.0550 28754.66 0.5770 0.3350 2.809E-04 1.851 0.0510 31967.73 0.6220 0.3600 2.972E-04 1.959 0.0491 33820.65 0.6370 0.3650 3.006E-04 1.981 0.0492 34203.92 0.6510 0.3760 3.081E-04 2.031 0.0478 35062.49 0.6540 0.3780 3.095E-04 2.040 0.0476 35220.89 0.6520 0.3760 3.081E-04 2.031 0.0479 35062.49
7. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Mạch lưu chất 100% 5.000E-04 4.500E-04 4.000E-04 3.500E-04 3.000E-04 Q 2.500E-04 100% 2.000E-04 1.500E-04 Poly. (100%) 1.000E-04 5.000E-05 0.000E+00 0.0000 0.0010 0.0020 0.0030 0.0040 0.0050 0.0060 ΔP Bảng 12 Chiều dài tương đương của van (độ mở 3/4) ΔP (mH O) ΔP (mH O) v 2 m 2 Q (m3/s) V2/2g Re f l (m) (m/s) e 0.0040 0.0000 1.320E-04 0.249 0.0032 8032.57 0.0121 2.7347 0.0030 0.0000 1.320E-04 0.249 0.0032 8032.57 0.0121 2.0510 0.0020 0.0480 1.471E-04 0.277 0.0039 8950.29 0.0125 1.0614 0.0020 0.2200 2.168E-04 0.408 0.0085 13188.37 0.0141 0.4326 0.0080 0.5440 4.500E-04 0.848 0.0366 27373.03 0.0172 0.3301 0.0090 0.6250 5.401E-04 1.017 0.0527 32855.34 0.0180 0.2468 0.0090 0.6700 5.977E-04 1.126 0.0646 36362.36 0.0184 0.1968 0.0090 0.7300 6.843E-04 1.289 0.0847 41627.48 0.0190 0.1457 0.0100 0.7400 6.999E-04 1.318 0.0886 42576.32 0.0191 0.1540 mo van 3/4 8.000E-04 7.000E-04 6.000E-04 5.000E-04 Q 4.000E-04 3.000E-04 2.000E-04 1.000E-04 0.000E+00 0.0000 0.0020 0.0040 0.0060 0.0080 0.0100 0.0120 delta P
8. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Mạch lưu chất mo van 0.25 6.000E-04 5.000E-04 4.000E-04 Q 3.000E-04 2.000E-04 1.000E-04 0.000E+00 -0.2000 0.0000 0.2000 0.4000 0.6000 0.8000 1.0000 1.2000 ΔP DMV Q (m3/s) Q/Qmax 0.00 0.0000 0.000 0.25 0.0001 1.000 0.50 0.0002 1.726 0.75 0.0001 1.138 1.00 0.0001 1.015 P Đồ thị Đặc tuyến riêng của van 9 khi = 0.4 cm H2O g 5. BÀN LUẬN : Câu 1 : Nhận xét về các giản đồ và so sánh với kết quả trong sách.
9. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Mạch lưu chất • f tăng nhanh khi Re tăng từ trong khỏang 10000 : Khoảng Re này thể hiện chế độ dòng chảy trong ống là chảy rối thành nhám thủy lực. Khi này f=0.0415 ở ống dài L=0,9m và f=0,0273 ở ống dài L=1,5m. Do có chiều dài lớn hơn nên ống L=1,5m có hệ số ma sát nhỏ hơn so với ống L=0,9m(tỷ số ở ống L=1,5m nhỏ hơn so với ống L=0,9m với giả D thiết độ nhám tương đối của 2 ống như nhau) điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết, hệ số ma sát phụ thuộc vào cả Re và D Ống ½”: f thay đổi theo Re chia làm hai khu vực : • f tăng khi Re tăng trong khỏang 25000: Khoảng Re này thể hiện chế độ dòng chảy trong ống là chảy rối thành nhám thủy lực. f = 0,0479 đối với ống L=0,9m, f=0,0461 đối với ống L=1,5m. Các giá trị f của ống 0.9m và ống 1.5m ở khu vực này là gần bằng nhau. Lúc này f phụ thuộc vào cả chế độ chảy(Re) và hệ số giống như d trong lý thuyết. 4. Giản đồ biểu diễn lưu lượng Q theo độ mở của van tại một vài áp suất : • Từ giản đồ ta nhận thấy : Van càng mở lớn thì lưu lượng qua van càng lớn ứng với một tổn thất cột áp. Van càng mở lớn thì tổn thức áp suất càng nhỏ. Trên giản đồ, có 2 điểm khi tăng lưu lượng lại làm tăng giảm áp của van, nguyên nhân do sai số của thiết bị và cách đọ số liệu. • Mức độ tổn thất năng lượng cũng thể hiện ở chiều dài tương đương le (bảng số liệu cho thí nghiệm 3). Độ mở càng lớn thì le càng nhỏ tức tổn thất cục bộ càng nhỏ. Do khi mở van càng lớn thì lưu lượng giữa hai bên van là gần như nhau, tổn thất áp suất do van gây ra cũng ít hơn. Khi van mở hòan tòan thì trở lực của van lúc này gần bằng trở lực của đường ống. Khi đóng van dần thì hệ số trở lực tăng nhanh. • Ở độ mở hòan tòan và độ mở ¾ thì khi khi Q < 0.3 l/s, tổn thất áp suất giữa hai bên van tăng chậm khi Q tăng. Còn ở độ mở van ½ và độ mở ¼ thì tổn thất áp suất do van gây ra tăng nhanh theo Q, do trở lực của van lớn hơn nhiều so với trở lực van của trường hợp độ mở van hòan tòan và độ mở ¾. Ta có thể thấy điều đó ở bảng sau: Độ mở Hòan tòan ¾ 1/2 1/4   của ống 0,26 2,06 17
10. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Mạch lưu chất tránh khỏi trong quá trình tính tóan. Đồng thời, do phải dùng số liệu của thí nghiệm 2, nên thí nghiệm 2 đòi hỏi phải chính xác, mà sai số là điều không thể tránh khỏi nên sẽ dẫn đến những sai số ở thí nghiệm 3. • Việc tính tóan lưu lượng ở thí nghiệm 2 và 3 là căn cứ vào lưu lượng kế màng chắn. Như đã biết lưu lượng kế màng chắn có độ chính xác kém hơn venturi nên cũng gây ra sai số. • Tất cả các số liệu hầu như là tính tóan thông qua các công thức lý thuyết không mang tính thực nghiệm cao. Gây ra sự sai khác giữa thực nghiệm và lý thuyết. Tóm lại, trong quá trình thí nghiệm có nhiều sai số do nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra. Có những sai số không thể tránh khỏi thì có thể tạm chấp nhận. Tuy nhiên, những sai số do thao tác thí nghiệm thì phải hết sức hạn chế vì nay là những sai số có thể giảm tránh được. Câu 3: Dựa trên giản đồ đo được đề nghị mục đích sử dụng van. • Qua giản đồ ta thấy được việc mở van không hòan tòan gây ra tổn thất áp suất, tạo trở lực lớn. Điều này là không tốt trong quá trình vận chuyển chất lỏng; vừa hao tốn năng lượng do việc tổn thất áp suất, vừa tốn thời gian lãng phí tiền của. Vì vậy, khi sử dụng nên mở van hòan tòan. • Tuy nhiên, do tổn thất năng lượng qua van nên áp suất ở đầu ra của van giảm. Điều này được ứng dụng làm van tiết lưu thay đổi áp suất trong hệ thống dẫn khí. • Nếu không phải trong những trường hợp như thí nghiệm hay cần điều chỉnh lưu lượng dòng lưu chất thì nên mở van hòan tòan. 6. PHỤ LỤC : 6.1. Lưu lượng chảy trong ống: W Q (l / s) t Với: W : lưu lượng chọn trước (l) t : thời gian lưu lượng đã chọn chảy hết (s) 6.2. Tính Reynold: vD Re  Q Q 4Q v A D2 D2 4 4QD 4Q Re D2 D Trong đó :  : độ nhớt động học của nước ở 300C  = 0,00805 St = 0,00805.10-4 m2/s = 0,00805.10-2 dm2/s D: đường kính ống (dm)
11. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Mạch lưu chất Từ đồ thị f = Re trong thí nghiệm hai , ứng với mỗi giá trị của Re ta có giá trị tương ứng của f (sử dụng đồ thị ứng với ống khảo sát) f Ống 1" l=1,5m f 1 1 Re 1 Re 1 6.8. Chiều dài tương đương le: Le.v 2 8Q 2 p p f f .l v f 2gD e g 2 D 5 g D 5 p l v e 8 f Q 2 7. TÀI LIỆU THAM KHẢO : [1] Tài liệu hướng dẫn “Thí nghiệm Quá trình & thiết bị", Bộ môn máy và thiết bị Trường đại học Bách Khoa TP.HCM, 9/2003 [2] Các tác giả, “ Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất”, Tập 1, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 1999. [3] Bộ môn Máy và thiết bị Trường ĐHBK. TP. Hồ Chí Minh “Các quá trình và thiết bị công nghệ hóa học”, Tập 10: Ví dụ và bài tập, 1992. [4] Các tác giả, “ Giáo trình cơ lưu chất”, NXB Trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh.