Thí nghiệm q trình thiết bị MẠCH LƯU CHẤT BÀI 1: MẠCH LƯU CHẤT I Mục đích thí nghiệm: Khảo sát chảy nước phòng thí nghiệm hệ thống ống dẫn có đường kính khác có chưa lưu lượng kế màng chắn Venturi phận nối ống cút van chữ T II Lý thuyết thí nghiệm: Lưu lượng kế màng chắn Venturi: - Ngun tắc hai dụng cụ đo lưu lượng dựa sở chênh lệch áp suất có giảm tiết diện đột ngột dòng lưu chất - Hai dụng cụ có cấu tạo sau: Ống venturi - Màng chắn Vận tốc trung bình tính từ cơng thức: V =C ∆P.2 g (1 − β ) − C : hệ số màng chắn Venturi phụ thuộc vào chế độ chảy ( Re) − ∆P : độ giảm áp suất qua màng chắn hay Venturi N/m2 d2 −β= : tỉ số đường kính cổ Venturi hay đường kính lỗ màng chắn đường d1 kính ống - Lưu lượng qua màng chắn hay Venturi sau: Q= V2A2=V1A1 Tổn thất lượng chảy ống dẫn: - Khi lưu chất chảy ống có mát lượng ma sát thành ống Xét trường hợp ống tròn nằm ngang: - Phương trình Becnoulli mặt cắt 1-1 2-2 giới hạn đoạn ống cho ta Page of 12 Thí nghiệm q trình thiết bị MẠCH LƯU CHẤT +ΔZ+Hƒ = Vì = ΔZ = Hƒ= Hf : thủy đầu tổn thất ma sát ống m Tổn thất lượng lien hệ với thừa số ma sát phương trình Darceyweisbach: H f = f Lv 2 gD Trong đó: L: chiều dài ống m D: đường kính ống m f: hệ số ma sát vơ thứ ngun ( phụ thuộc vào chế độ dòng chảy):  Nếu chế độ chảy tầng ( Re< 2320) f = 64 Re  Nếu chế độ chảy rối ( Re> 2320) f = F(Re, ε ) f tra từ đồ thị Moody D hay từ số cơng thức thực nghiệm ( hệ số ma sát phụ thuộc vào Re độ nhám tương đối ε ) D a) Trong chế độ chảy tầng − Tổn thất ma sát tính theo công thức sau: 32 µV Hf = gD ρ − Hệ số ma sát f tính theo công thức Hagen – Poiseuille: 64 µ 64 f = = DVρ Re b) Đối với chả rối Page of 12 Thí nghiệm q trình thiết bị MẠCH LƯU CHẤT Hệ số ma sát f tùy thuộc vài Re độ nhám tương đối ống ε Độ nhám tương D đối ống tỷ số độ nhám thành ε đường kính ống D Người ta tính f từ số phương trình thực nghiệm phương trình Nikuradse, ε (giản đồ Moody) D Ngoài mát lượng ma sát ống dẫn nói trên, ta có mát lượng trở lực cục bộ, ví dụ: thay đổi tiết diện chảy, hay thay đổi tiết diện van Trong trường hợp ta có công thức tính trở lực cục sau: tđ v ∆Pcb = f (1) gD Với ℓtđ: chiều dài tương đương cút, van, Chiều dài tương đương đònh nghóa chiều dài đoạn ống thẳng có tổn thất lượng van, cút điều kiện Trở lực riêng tiêu tốn để thắng trở lực phận ta xét gây ra: v2 ∆Pcb = ξ (2) 2g  So sánh vế công thức (1) và(2) ta có: ξ = f tđ D ξD Từ ta có: tđ = f III Thiết bị thí nghiệm Sơ đồ thí nghiệm hay để thuận tiện người ta sử dụng giản đồ f theo Re Page of 12 Thí nghiệm q trình thiết bị MẠCH LƯU CHẤT Dụng cụ thiết bị thí nghiệm: - Một hệ thống gồm ống dẫn van có kích thước khác lắp đặt tài liệu hướng dẫn - Bơm - Đồng hồ đo - Bình chứa - Venture - Màng - Số liệu kích thước bốn ống dẫn inox: Loại ống A B C D IV Đường kính ngồi (mm) 34 26.5 21.5 16.5 Đường kính (mm) 29 22 17 13.5 Phương pháp thí nghiệm Trước làm thí nghiệm, sinh viên cần tuân theo dẫn sau: Độ mở van để cố đònh Trắc đònh lưu lượng kế màng chắn venturi 1) Mở van cho nùc vào bình đến vạch tối đa (1cm vạch tương đương lít) Page of 12 Thí nghiệm q trình thiết bị MẠCH LƯU CHẤT 2) Mở hoàn toàn van 4, 5; đóng van 6, 7; mở van nhánh áp kế màng chắn venturi 3) Cho bơm chạy từ từ mở van sau khóa lại kiểm tra mức nước cột áp kế màng venturi có chưa Nếu cột chất lỏng nhánh (của màng venturi) tiến hành làm thí nghiệm Còn chưa tiếp tục mở, đóng van 4) Khi mức chất lỏng cột áp màng chắn hay venturi nhau, ta tiến hành làm thí nghiệm 5) Ta chọn lưu lượng trước tùy ý (ghi vào bảng 1) Từ từ mở van 7, ứng với độ mở van với lưu lượng chọn ta đọc cột áp venturi, màng chắn thời gian Khi bình chứa phải đóng lại van 7, mở van mở van cho nước vào bình chứa Lặp lại thí nghiệm từ đến lần Thiết lập giản đồ f theo Re cho ống A, B, C, D van số  Cho ống A Khóa van 6, 7; mở van cho nước chảy vào đầy bình chứa, mở van hai nhành áp kế ống A Kiểm tra mức nước cột áp kế ống A, mức nước ta tiến hành thí nghiệm Dùng van để chỉnh lưu lượng (giống chỉnh van thí nghiệm 1) Ứng với độ mở van ta đọc độ giảm áp màng chắn ống A độ dài k = 1,5m Van chỉnh đến độ mở tối đa  Cho ống B, C, D Thao tác tương tự thí nghiệm cho ống A, thay mở van lúc ta mở van hoặc tùy loại ống  Cho van số Van số để mở hoàn toàn Dùng van để chỉnh lưu lượng giống thí nghiệm trên, ứng với độ mở van ta đọc độ giảm áp màng van Xong thí nghiệm với độ độ mở , tiếp tục đo trên; mở hết cỡ van 6, lúc độ giảm áp màng van không thay đổi, nghóa đo độ mở hoàn toàn ta đóng lại van số vòng mở 1 xong Tiếp tục khóa van số vòng ta độ mở tiếp tục đo.Như 4 ta thí nghiệm xong với độ mở khác van số 5: mở hoàn toàn, mở độ mở Trở lực theo độ mở van cho bảng sau: Page of 12 , mở Thí nghiệm q trình thiết bị MẠCH LƯU CHẤT Độ mở Hồn tồn ξ ξ ≈ t ống 0.26 2.06 17 Vì sinh viên không kiểm nghiệm hệ số ma sát f theo độ mở van thí nghiệm nên tính ℓtđ cho phép sử dụng kết thí nghiệm cho ống A chiều dài ? (Vì yêu cầu tính toán thí nghiệm phải xác) V Tính tốn Tính lưu lượng dựa vào cơng thức : Q= W t  W: thể tích nước l  t: thời gian s Các đại lượng Re Cm Cv f tính theo cơng thức sau: Re = vdρ 4Q dρ 4Qρ = = µ πdµ πd µ Trong : d :đường kính ống.m ( 0.04m) v: vận tốc dòng chảy m/s ρ : khối lượng riêng chất lỏng kg/m3 (1000 g/l) µ: độ nhớt động học ( 10-3 Pa.s) V =C Dựa vào cơng thức : Trong đó: β= ∆P.2 g γ (1 − β ) ⇒C= 17 = 0.425 40 Page of 12 V2 g ∆P γ (1 − β ) 4Q = πd 2 g ∆P γ (1 − β ) Thí nghiệm q trình thiết bị Xác định hệ số ma sát f: VI MẠCH LƯU CHẤT Hf = ∆P D.2 g ρg ⇒ f = L.V ∆P LV = f ρg D 2g Kết thí nghiệm Thí nghiệm Chế độ mở W ( l) t (s) Q (l/s) ΔPm (cmH2O) ∆Pm ρg (cmH2O) ΔPv (cmH2O) ∆Pv ρg (cmH2O) HT 40 83 0.48193 27.5 28.06122 17.5 ¾ 40 90 0.44444 26.5 27.04082 ½ 40 97 0.41237 20 ¼ 40 14 0.27027 Re Cm Cv 17.85714 15340235.47673 3.27106 4.10049 16.5 16.83673 14147106.05077 2.83402 3.59156 20.40816 13.5 13.77551 13126180.87184 2.80836 3.41822 9.18367 6.12245 8602969.89574 1.79832 2.20248 Thí nghiệm 2: a Đối với ống A ( d=0.029m) Chế ΔPm ΔPv ΔPống độ (cmH2O) (cmH2O) (cmH2O) mở Q (l/s) ∆P ρg ∆Pm ρg V (cm/s) f Re HT 22.5 14 2.1 0.48193 2.14286 11.02500 729.98888 0.00826 15340235.47673 ¾ 20 13.7 1.9 0.4444 1.93878 9.80000 673.21197 0.00832 14147106.05077 ½ 17.5 11.5 1.7 0.41237 1.73469 8.57500 624.62966 0.00838 13126180.87184 ¼ 12 10.2 1.3 0.27027 1.32653 5.88000 409.38566 0.00874 8602969.89574 Page of 12 Thí nghiệm q trình thiết bị MẠCH LƯU CHẤT b Đối với ống B ( d=0.022m) Chế ΔPm ΔPv ΔPống độ (cmH2O) (cmH2O) (cmH2O) mở Q (l/s) ∆P ρg ∆Pm ρg V (cm/s) f Re HT 17.9 12.5 9.3 0.48193 9.48980 8.77100 1268.43110 0.00826 15340235.47673 ¾ 16.7 11.8 7.8 0.4444 7.95918 8.18300 1169.77534 0.00832 14147106.05077 ½ 15.1 11.3 4.5 0.41237 4.5918 13126180.87184 ¼ 9.2 8.2 3.4 7.39900 1085.35857 0.00838 0.27027 3.46939 4.50800 711.34987 0.00874 8602969.89574 V (cm/s) f Re c Độ mở ống C (d= 0.017): Chế ΔPm ΔPv ΔPống độ (cmH2O) (cmH2O) (cmH2O) mở Q (l/s) ∆P ρg ∆Pm ρg HT 16.7 12 32.1 0.48193 32.75510 8.18300 ¾ 13.4 9.8 29.5 0.4444 0.00832 14147106.05077 ½ 8.9 8.3 24.3 0.41237 24.79592 4.36100 1817.69393 0.00838 13126180.87184 ¼ 3.8 2.4 7.5 0.27027 0.00874 8602969.89574 f Re 2124.29291 0.00826 30.10204 6.56600 1959.07013 7.65306 1.86200 1191.32643 15340235.47673 d Độ mở ống D (d=0.0135) Chế ΔPm ΔPv ΔPống độ (cmH2O) (cmH2O) (cmH2O) mở Q (l/s) ∆P ρg ∆Pm ρg V (cm/s) HT 8.7 7.8 42.8 0.48193 43.6734 ¾ 6.1 3.7 41 0.4444 41.83673 2.98900 3106.56388 0.00832 ½ 1.7 1.2 32.2 0.41237 32.85714 0.83300 2882.37886 0.00838 13126180.87184 ¼ 0.9 0.1 7.3 0.27027 8602969.89574 7.44898 Page of 12 4.26300 3368.56324 0.00826 0.4410 1889.12668 0.00874 15340235.47673 14147106.05077 Thí nghiệm q trình thiết bị MẠCH LƯU CHẤT Thí nghiệm Chế độ mở vòng vòng vòng vòng vòng ΔPm ΔPvan ∆Pm ρg ∆Pvan ρg Q 18.2 119 8.918 121.42857 0.48193 22.5 26 11.025 26.53061 0.44444 23.8 13 11.66 13.26531 0.41237 24.5 8.1 12.005 8.26531 0.27027 25.2 6.8 12.34 6.93878 0.27027 VII V 0.5838 1.3864 1.3329 0.8673 0.8870 le 0.0083 0.03839 0.00874 8602969.89574 985.87 0.04014 0.00874 8602969.89574 791.43 0.09807 0.00832 0.09065 Lưu lượng Q hiệu số thủy dầu áp suất Page of 12 Re 15340235.4767 14147106.0507 13126180.8718 0.01739 0.00826 Vẽ đồ thị: ống Venturi f V2 2g 33809.44 1300.75 698.88 ∆Pm ∆Pv qua màng chắn ρg ρg Thí nghiệm q trình thiết bị Hệ số lưu lượng kế Cm Cv theo Re: Thừa số ma sát theo Re: VIII Bàn luận: Page 10 of 12 MẠCH LƯU CHẤT Thí nghiệm q trình thiết bị MẠCH LƯU CHẤT Nhận xét giản đồ so sánh kết quả: a Thí nghiệm 1: Hệ số lưu lượng kế Cm Cv theo chế độ chảy (Re): Theo lý thuyết, với đường kính lỗ đường kính lỗ màng( venture) nên cơng thức: V =C ∆P.2 g (1 − β ) Có: β V2 Do C tỉ lệ với ∆P Cấu tạo chắn venture khác Màng chắn thay đổi kích thước đột ngột nên tổn thất áp suất lớn Venturi => Cm < Cv Vì kết thí nghiệm Sự phụ thuộc Cm Cv theo Re: theo phương trình trên, hệ số lưu lượng tỉ lệ thuận với vận tốc dòng chảy tỉ lệ nghịch với ∆P Mà, Re tăng kéo theo ∆P tăng, C tăng hay giảm phụ thuộc vào mức độ tăng nhiều hay Re ∆P So sánh lưu lượng kế màng venture: ∆Pm> ∆Pv nên sử dụng lưu lượng kế venture cho kết xác b Thí nghiệm 2: Hệ số ma sát f theo chế độ chảy Re cho ống A, B, C, D: • • • • • Theo lý thuyết: Khu vực chảy tầng: f=f1(Re) Khu vực chảy rối thành trơn: f=f2(Re) Khu vực q độ từ chảy rối thành trơn sang chảy rối thành nhám : f=f3( Re,∆/d) Khu vực chảy với thành nhám hồn tồn: f=f4 ( ∆/d) ε Tỉ số D khơng đổi đường biểu diễn f khơng phụ thuộc chiều dài ống Theo thực nghiệm: Chiều dài ống ảnh hưởng đến f Điều giải thích độ nhám ống khơng đồng đều, khơng suốt chiều dài ống, đóng cặn bên đường ống… Page 11 of 12 Thí nghiệm q trình thiết bị Page 12 of 12 MẠCH LƯU CHẤT