Thí nghiệm chun ngành QT&TB GVHD: Thầy Nguyễn sỹ xn Ân I - MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Khảo sát tính lưu biến của lưu chất phi Newton CMC (CarboxyMethylCenllulose) bằng nhớt kế ống. II - TRÍCH YẾU LÝ THUYẾT 1. Phân loại lưu chất phân loại lưu chất 2. Ứng suất và suất biến dạng • Một lớp cố đònh và một lực biến dạng F được đặt lên lớp còn lại. • Trạng thái ổn đònh, F được cân bằng bởi nội lực trong chất lỏng gây ra do độ nhớt của nó. Bài Đo lưu lượng chảy Trang 1 Thí nghiệm chun ngành QT&TB GVHD: Thầy Nguyễn sỹ xn Ân Lưu chất Newton chảy dòng ứng suất trượt (shear stress) tỷ lệ thuận với gradient vận tốc: F/A = τ α du/dy Công thức này có thể viết thành: τ = µ du/dy = µ γ : ứng st biến dạng trong đó hệ số tỷ lệ µ được gọi là độ nhớt Newton. γ = du/dy: suất biến dạng (shear rate) Đường biểu diễn sự liên hệ giữa ứng suất biến dạng và suất biến dạng của chất lỏng được gọi là đường cong lưu biến. 3. Độ nhớt Đối với lưu chất Newton: độ nhớt • Phụ thuộc nhiệt độ và áp suất. • Không phụ thuộc vào suất biến dạng. • Đường cong lưu biến là đường thẳng với hệ số góc µ. Đường cong lưu biến của chất lỏng Newton Đối với chất lỏng phi Newton: Bài Đo lưu lượng chảy Trang 2 Thí nghiệm chuyên ngành QT&TB GVHD: Thầy Nguyễn sỹ xuân Ân • Độ nhớt không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất, mà còn phụ thuộc vào ứng suất cũng như suất biến dạng. • Đường cong lưu biến của chất lỏng phi Newton phụ thuộc vào bản chất của từng lưu chất. 4. Dạng phương trình lưu biến tổng quát của chất lỏng phi Newton Phương trình tổng quát τ = K (γ ) n + τ 0 Trong đó :  K là hệ số đặc trưng cho độ đậm đặc của lưu chất. K càng lớn thì độ nhớt của dung lưu chất càng lớn. Đơn vị của K phụ thuộc vào n.  n là số mũ của phương trình, đặc trưng cho độ lệch so với chất lỏng Newton, có giá trị tùy thuộc vào loại lưu chất: o n= 0 chất lỏng Newton. n = 1 lưu chất Bingham. 0<n<1 lưu chất giả dẻo 1<n< ∞ lưu chất Dilatant  τ o là ứng suất dư, là ứng suất tối thiểu cần tác động vào lưu chất để nó chuyển động, nó có ý nghĩa rất lớn trong công nghệ. Khảo sát tính lưu biến của một lưu chất nào đó là xây dựng đường cong lưu biến và tìm phương trình lưu biến của lưu chất chất đó. Thường chỉ được tiến hành trong một khoảng ứng suất nào đó, do đó khi nói lưu chất thuộc loại lưu chất nào ta cần phải cho biết khoảng ứng suất. III – TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM 1. Hệ thống thiết bị Bài Đo lưu lượng chảy Trang 3 Thí nghiệm chuyên ngành QT&TB GVHD: Thầy Nguyễn sỹ xuân Ân Thiết bị nhớt kế loại ống như hình vẽ. Dưới thùng chứa dịch gồm máy bơm cánh khuấy điện trở gia nhiệt, trên thùng đo gồm có 1 nhiệt kế, có ống ổn định lưu lượng. 2. Chuẩn bị: - Pha dung dịch: với mỗi lít nước pha với 5gam CMC. Đong 82 lít nước cho vào thùng khuấy, cân 410gam CMC, cho bột từ từ vào thùng vừa cho vừa bật cánh khuấy và gia nhiệt, cho tới khi CMC tan hoàn toàn. 3. Tiến hành: - Bơm dung dịch lên thùng chứa ứng với mỗi mức sao cho mực dung dịch ổn định thì tiến hành thí nghiệm. Có 2 mức lỏng 45 mm và 25 mm. - Lần lượt lắp các ống từ 1 tới 9 ứng với mỗi ống cho dung dịch chảy qua, đo thời gian và thể tích dung dịch chảy được. Ghi lại cả nhiệt độ của dung dịch. - Làm tương tự cho mức còn lại. IV – KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 1. Các bảng số liệu Bảng 1: Số liệu thô Bài Đo lưu lượng chảy Trang 4 Thí nghiệm chuyên ngành QT&TB GVHD: Thầy Nguyễn sỹ xuân Ân STT Đường kính Chiều dài Chiều cao mức lỏng H=45 mm Chiều cao mức lỏng H = 25 Lưu lượng Thời gian Lưu lượng Thời gian 1 3.5 412 930 39 485 25 2 5.5 4124 925 16.5 645 12 3 5.1 538 845 16 660 15 4 3.3 713 518 23 460 22 5 5.05 711 688 15 610 14 6 5.5 710 769 14 528 11 7 3.5 1012 460 20 332 19 8 5 1017 672 15 480 11 9 5.5 1012 567 11 550 11 Bảng 2: Số liệu tính toán cho mức lỏng H = 45 mm STT D (m) L (m) Q (ml/s) P(pa) τ (Pa) Γ (1/s) lnτ lnΓ n' γ(1/s) lnγ 1 0.0035 0.412 23.85 4414.5 9.375 5666.11 2.238 8.642 0.295 9051.36 9.111 2 0.0055 0.412 56.06 14.73 3432.14 2.69 8.141 5482.7 8.609 3 0.0051 0.538 52.81 10.46 4055.14 2.348 8.308 6477.92 8.776 4 0.0033 0.713 22.52 5.108 6383.03 1.631 8.761 10196.6 9.23 5 0.0051 0.711 45.87 7.839 3627.9 2.059 8.196 5795.41 8.665 6 0.0055 0.71 54.93 8.549 3362.96 2.146 8.121 5372.19 8.589 7 0.0035 1.012 23 3.817 5464.17 1.339 8.606 8728.78 9.074 8 0.005 1.017 44.8 5.426 3650.64 1.691 8.203 5831.74 8.671 9 0.0055 1.012 51.55 5.998 3156.03 1.791 8.057 5041.62 8.525 Bảng 3: số liệu tính toán cho mức lỏng H = 25 mm STT D (m) L (m) Q (ml/s) P(pa) τ (Pa) Γ (1/s) lnτ lnΓ n' γ(1/s) lnγ 1 0.0035 0.412 19.4 2452.5 5.209 4608.91 1.65 8.436 0.295 7362.54 8.904 2 0.0055 0.412 38.75 1.487 2372.38 0.397 7.772 3789.78 8.24 3 0.0051 0.538 44 5.812 3378.65 1.76 8.125 5397.24 8.594 4 0.0033 0.713 20.91 2.838 5926.7 1.043 8.687 9467.65 9.156 5 0.0051 0.711 43.57 4.355 3445.9 9 1.471 8.145 5504.82 8.613 6 0.0055 0.71 48 4.75 2938.69 1.558 7.986 4694.4 3 8.454 7 0.0035 1.012 17.47 2.12 4150.39 0.752 8.331 6630.08 8.799 8 0.005 1.017 43.64 3.014 3556.11 1.103 8.176 5680.74 8.645 9 0.0055 1.012 50 3.332 3061.13 1.204 8.027 4890.03 8.495 2. Cách tính toán Bài Đo lưu lượng chảy Trang 5 Thí nghiệm chuyên ngành QT&TB GVHD: Thầy Nguyễn sỹ xuân Ân Trong bài thí nghiệm này khảo sát dung dịch CMC để xác định các hệ số đặc trưng cho phương trình của chất lỏng phi Newton hệ số n và K, từ đó dự đoán CMC là loại lưu chất nào? Để tính toán, ta giả thiết CMC là lưu chất tuân theo luật lũy thừa trong khoảng suất biến dạng (2557.62; 6881.44), phương trình lưu biến cần tìm có dạng theo dạng: ( ) n K τ γ = & Trình tự tính toán: - Giả thiết lưu chất tuân theo định luật lũy thừa. - Tính suất biến dạng biểu kiến tại thành ống - Tính ứng suất - Tính hệ số góc của đường - Tính suất biến dạng - Dựng đồ thị - Dựa vào đồ thị ta có thể suy ra CMC thuộc loại lưu chất nào. Hồi quy, ta được phương trình Từ đây ta đã có thể kiểm tra lại giả thuyết ở trên. - Tính n và K, bằng cách logarit hai vế của phương trình trên, đưa phương trình về dạng tuyến tính. - Trong đó: ρ = 1000 Kg/m3: Khối lượng riêng của CMC tại 50 o C H: mức lỏng khảo sát (45 mm và 25 mm) 3. Dựng đồ thị Đồ thị 1 : Đồ thị biểu diễn logτ theo logΓ Bài Đo lưu lượng chảy Trang 6 3 .4 R Q π =Γ L RP .2 .∆ = τ Γ =Γ ln ln 'lnln d d ntheo τ τ Γ       + = . '3 1'3 n n γ γτ theo )( γτ f= gHP ρ =∆ Thí nghiệm chuyên ngành QT&TB GVHD: Thầy Nguyễn sỹ xuân Ân Đồ thị 2: Đồ thị biểu diễn τ theo γ & Đồ thị 3: Đồ thị biểu diễn lnτ theo lnγ Bài Đo lưu lượng chảy Trang 7 Thí nghiệm chuyên ngành QT&TB GVHD: Thầy Nguyễn sỹ xuân Ân V - NHẬN XÉT & KẾT LUẬN • Dựa vào đồ thị 2, ta thấy độ nhớt biểu kiến giảm dần khi tăng suất biến dạng. Trong khoảng ứng suất khảo sát, ta có thể kết luận CMC là lưu chất giả dẻo. Vậy, giả thuyết của ta lúc ban đầu, CMC là lưu chất tuân theo luật lũy thừa, là đúng. • Theo đồ thị 3 ta cũng suy ra được n = 0.749 và K = 0.0082, vậy phương trình lưa biến của CMC là So sánh với n’: Sai số này có thể do một số nguyên nhân sau: • Đo kích thướt đường kính trong và chiều dài thiếu chính xác. • Dụng cụ đo lưu lượng thô sơ, có sai số hệ thống. Mặt khác, do khi đọc bằng mắt cũng hạn chế độ chính xác. • Canh thời gian lúc đo lưu lượng chưa đồng bộ. • Không tìm được khối lượng riêng chính xác của CMC ở nhiệt độ 50 o C. VI - TAØI LIEÄU THAM KHAÛO [1]. Tập bài giảng cơ lưu chất phi newton - Vũ Bá Minh. Đại học Bách khoa TP.HCM Bài Đo lưu lượng chảy Trang 8 0225 . 711.0       = γτ %7.23 295.0 225.0295.0 ' ' = − = − = n nn τ Thí nghiệm chuyên ngành QT&TB GVHD: Thầy Nguyễn sỹ xuân Ân [2]. Non - Newtonian Fluids - W.L Wilkinson. M.A - Lecturer in chemical engineering at university college Swansea. Bài Đo lưu lượng chảy Trang 9 . nào đó, do đó khi nói lưu chất thuộc loại lưu chất nào ta cần phải cho biết khoảng ứng suất. III – TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM 1. Hệ thống thiết bị Bài Đo lưu lượng chảy Trang 3 Thí nghiệm chuyên ngành. toán Bài Đo lưu lượng chảy Trang 5 Thí nghiệm chuyên ngành QT&TB GVHD: Thầy Nguyễn sỹ xuân Ân Trong bài thí nghiệm này khảo sát dung dịch CMC để xác định các hệ số đặc trưng cho phương trình. dung dịch. - Làm tương tự cho mức còn lại. IV – KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 1. Các bảng số liệu Bảng 1: Số liệu thô Bài Đo lưu lượng chảy Trang 4 Thí nghiệm chuyên ngành QT&TB GVHD: Thầy Nguyễn sỹ xuân