Báo cáo thí nghiệm quá trình và thiết bị công nghệ bài 1 mạch lưu chất

Báo cáo thí nghiệm
Q trình và Thiết bị cơng nghệ
BÀI 1 MẠCH LƯU CHẤT
SVTH: Trần Ngọc Bảo Trân

MSSV: 61502031

1. MỤC ĐÍCH
Khảo sát sự chảy của nước ở phịng thí nghiệm trong một hệ thống
ống dẫn có ống dẫn khác nhau và có chứa lưu lượng kế màng chắn,
venturi cùng các bộ phận nối ống như cút, van, chữ T.
2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT
2.1 Lưu lượng kế màng chắn và venturi
Nguyên tắc : dùng sự giảm áp suất của lưu chất khi chảy qua chúng
để đo lưu lượng

Vận tốc trung bình được tính từ cơng thức tổng kê năng lượng:

√

V2 = C

∆P
γ (1−β 4 )

(1)

Trong đó :
C: màng chắn venturi , nó tùy thuộc vào chế độ chảy Re.
∆ P : độ giảm áp suất qua màng chắn hay venturi, N/m 2
γ : trọng lượng riêng của lưu chất , N/m3

β=

d2
: tỉ số giữa đường kính cổ venturi hay đường kính lỗ màng
d1

chắn trên đường kính ống.
Lưu lượng qua màng chắn hay venturi: Q = V2A2 = V1A1

(2)


2.2

Tổn thất năng lượng do sự chảy của ống dẫn

Khi lưu chất chảy trong ống ta có sự mất năng lượng do ma sát ở
thành ống.
Xét trường hợp một ống trịn đều nằm ngang.
Từ phương trình Bernoulli ta có:
(3)

(4)
Hf : thủy đầu tổn thất ma sát trong ống, m
 Tổn thất năng lượng: Hf = f

LV 2
2 gD

(5)

f : hệ số ma sát , vô thứ nguyên.
L : chiều dài ống, m.
D: đường kính ống , m.
a) Chế độ chảy tầng
 Tổn thất ma sát : Hf =

32 μlVlV
g D2 ρ

(6)

 Hệ số ma sát f tính theo cơng thức của Hagen – Poiseuille:
f=

64 μlV 64
=
DVρ ℜ

(7)

b) Sự chảy rối
ϵ
¿ . Độ
D
nhám tương đối của ống là tỷ số giữa độ nhám thành ϵ trên

 Hệ số ma sát f tùy thuộc vài Re và độ nhám của ống (
đường kính ống D.
 Cơng thức tính trở lực cục bộ:

l td v 2
,
∆ Pcb =f
2 gD

(8)


l td : chiều dài tương đương của cút ,van,...Chiều dài tương đương

được định nghĩa như chiều dài của 1 đoạn ống thẳng có cùng tổn thất
năng lượng tại van , cút như 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:
(9)

So sánh 2 vế của (8) và (9)
=>

từ đó

=>

3. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
3.1 Sơ đồ thí nghiệm

3.2 Dụng cụ thí nghiệm
Thì kế để tính thời gian.
Số liệu kích thước 4 ống dẫn bằng inox:

Loại
ống

Đường kính ngồi (mm)

Đường kính trong (mm)

A

34

29

B

26,5

22

C

21,5

17

D

16,5

13,5

Độ nhám e = 0,000005
Màng chắn : lối vào : 40 mm
Venturi :

lối vào : 40mm

đường kính lỗ : 17 mm
đường kính cổ : 17 mm

4. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
Độ mở van 8 ln để cố định.
4.1 Trắc định lưu lượng kế màng chắn và venturi
- Mở van 9 cho nước vào bình đến vạch tối đa ( 1cm tương đương 1
lít).
- Mở hồn tồn van 4,5 ;đóng van 6,7 ;mở 2 van ở 2 nhánh áp kế của
màng chắn và venturi.
- Cho bơm chạy và từ từ mở van 6 sau đó khóa lại và kiểm tra mức
nước trong cột áp kế màng chắn và venturi có bằng nahu chưa. Nếu
các cột chất lỏng bằng nhau trong từng nhánh ( của màng và
venturi ) chúng ta tiến hành làm thí nghiệm. Cịn nếu chưa bằng thì
tiếp tục mở ,đóng van 6.
- Khi mức chất lỏng trong cột của màng chắn và venturi đã bằng nhau
, ta tiến hành làm thí nghiệm.
- Ta chọn lưu lượng trước tùy ý ( ghi vào bảng 1). Từ từ mở van 7, ứng
mỗi độ mở của van 7 với lưu lượng đã chọn ta đọc cột áp của venturi,
màng chắn và thời gian. Khi hết nước trong bình chứa phải đóng lại
van 7 , mở van 6 và mở van 9 cho nước vào bình chứa. Lặp lại thí

nghiệm 1từ 2 đến 3 lần.
4.2 Thiết lập giản đồ f theo Re cho ống A, B, C, D và van số 5
a) Ống A


Khóa van 6,7 mở van 9 cho nước chảy vào đầy bình chứa , mở 2 van ở
2 nhành áp kế của ống A. Kiểm tra mức nước trong cột áp kế ống A,
nếu mức nước bằng nhau thì ta tiến hành thí nghiệm .Dùng van 6 để
chỉnh lưu lượng ( giống chỉnh van 7 trong thí nghiệm 1). Ứng với mỗi
độ mở của van 6 ta đọc độ giảm áp màng chắn và ống A ở độ dài k =
1,5m. Van 6 điều chỉnh đến độ mở tối đa.
b) Ống B, C, D
Thao tác tương tự thí nghiệm cho ống A, thay vì mở van 4 thì lúc này
ta mở van 3 hoặc 2 hoặc 1 tùy loại ống.
c) Van số 5
Van số 5 vẫn để mở hoàn toàn . Dùng van 6 để chỉnh lưu lượng giống
thí nghiệm trên, ứng với mỗi độ mở cuả van 6 ta đọc độ giảm áp của
màng và van.
Xong thí nghiệm với độ mở hồn tồn ta đóng lại van số 5 mt vũng
ẵ s c m ắ , ri tip tục đo như trên; khi nào mở hết cỡ van 6
, lúc đó độ giảm áp của màng và van khơng thay đổi, nghĩa là đo độ
¾ đã xong. Tiếp tục khóa van số 5 một vịng ½ ta sẽ thu được độ mở
¼ rồi tiếp tục đo. Như vậy thí nghiệm đã xong với 4 độ mở van khác
nahu của van số 5 : mở hoàn toàn , mở ắ, m ẵ v m ẳ.
Tr lc theo m ca van :
m

Hon ton

ắ

ẵ

ẳ



t ca ng

0.26

2.06

17

5. KT QU
Thớ nghim 1:
STT

Ch m

W(lớt)

t (s)

1
2
3
4

HT
ắ
ẵ
ẳ

6
5,5
4,5
5,5

16
16
14
17

Pm (cm
H2O)
10,5
11,3
11,5
9,5

Pv(cm
H2O)
8
7,3
7
5

Tính hệ số màng chắn và venturi:
- Khối lượng riêng của nước:  = 995 kg/m3
-

Độ nhớt của nước: μ = 0.0008 Ns/m2

-

Trọng lượng riêng của nước: γ = ρ.g = 995.9,81 = 9760.1 N/m 3

-

Gia tốc trọng trường: g = 9,81 m/s2
 Lưu lượng dịng chảy là:
 Ta có:
 Ta có:

Q=

W
6
= =0,375 L/s
t
16

∆ Pm ∆ Pm∗98
10,5∗98
=
∗100=
∗100=10,54 cm H 2 O

ρg
ρg
995∗9.81
∆ Pv ∆ Pv∗98
8∗98
=
∗100=
∗100=8 , 032 cm H 2 O
ρg
ρg
995∗9.81

 Vận tốc qua màng chắn và venturi
4∗0.375
4Q
1000
V = 2=
=1,653 m/s=165,3 cm/ s
π d 3,14∗0.017 2

(với d = 17 mm: đường kính lỗ của venturi và màng chắn)
 Chuẩn số Reynolds:
ℜ=

ρVd 995∗1,653∗0,017
=
=34950,62
μlV
0,0008

 Hệ số của màng chắn:
C m=V

√

γ(1−β 4)
=1,653∗√ 9760.95∗¿ ¿ ¿
2 g ∆ Pm

 Hệ số của venturi:
C v =V

√

γ(1−β 4)
=1,653∗√ 9760.95∗¿ ¿ ¿
2 g ∆ Pv

14
12
f(x) = − 0.39 x + 10.88
R² = 0

10
8

f(x) = 37.26 x − 5.85
R² = 0.51

Linear ()

6

Linear ()

4
2
0
0.31

0.32

0.33

0.34

0.35

0.36

0.37

0.38

Tính tốn
tương tự
như trên cho
các chế độ
mở khác ta
thu được kết

quả như
sau:


Độ W
m (lit)
ở

t (s)

HT
6

16

½
4,5

Δ Pv
ρg

STT
1
2
3
4

STT
1
2

3

Cv

0,375

10,54

8,032

34950,6
2

11,1
9

12,8
2

0,343
75

11,35

7,33

32032,7
8

10,7

9

13,4
2

0,321

11,54

7,03

29918,4
1

10,6
9

13,7
1

0,324

9,54

5,02

30193,2
75

11,7

6

16,2
2

17

 Thí nghiệm 2:

1
2
3
4

Cm

(cmH2O)

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Q với hiệu của

STT

Re

H2O)

14

¼
5,5

Δ Pm
ρg (cm

16

¾
5,5

Q (lit/
s)

∆Pm (theo ống
A)
10,5
11,3
11,5
9,5
∆Pm (theo ống
B)
9,2
8
8,8
8
∆Pm (theo ống
C)
6,5
4,5
5

∆P ống A
1
1,4
1
1

∆P ống B
4
4
5
3,5

∆P ống C
12
12
10

Δ Pm
Δ Pv
ρg và ρg


4

STT
1
2
3
4

4

7

∆Pm (theo ống
D)
3
1,8
3
2

∆P ống D
10
9
11,2
10

Tính thừa số ma sát trong ống dẫn
 Ống A:
Ở chế độ mở hồn tồn:
Ta có:

∆ Pm ∆ Pm∗98
10,5∗98
=
∗100=
∗100=10,54 cm H 2 O
ρg
ρg
995∗9.81

Ta có:

∆ Pv ∆ Pv∗98
8∗98
=
∗100=
∗100=8,032 cm H 2 O
ρg
ρg
995∗9.81

Từ kết quả tính tốn trong thí nghiệm 1 ta vẽ được đồ thị biểu diễn
mối quan hệ giữa Q và
giữa chúng là:

Δ Pm
ρg , phương trình biểu diễn mối quan hệ

Δ Pm
Q = -0,3897 ρg
+ 10,875
-

Lưu lượng: Q = -0,3897*10,54 + 10,875= 6,767 (lít/s)

-

4∗6,767
1000

m
Vận tốc dòng: V = 4 Q =
=10,25 =1025 cm/ s
2
2
s
π d 3,14∗0.029

(với d=29mm: đường kính trong của ống A)
Thừa số ma sát trong ống A: f =

2 ∆ P . g . d 2∗1∗9.81∗0.029∗100
=
=0,000036
LV2
1.5∗10252

(với L=1.5m: chiều dài của ống A).


 Chuẩn số Reynolds: R e=

ρVd 995∗10,25∗0,017
=
=2167,23
100. μlV
100∗0,0008

-

Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa f theo Re của ống A

-

2350
2300

-

2250
2200

-

2150

-

2100
2050

-

2000
1950

-

1900
0

0

0

0

0

0

0

-

Tính tương tự như trên cho các độ mở khác nhau của ống A ta
được kết quả thể hiện trong bảng s liu sau:
Ch

m
HT
ắ
ẵ
ẳ

P
g ( cm

Pm
g ( cm

Q
(lớt/s)

V(cm/
s)

f

Re

H2O)

H2O)

8,032

10,54

6,767

10,25

0,0000
36

2167,23

7,33

11,35

6,452

9,77

0,0000
55

2065,74

7,03

11,54

6,378

9,66

0,0000
41

2042,48

5,02

9,54

7,157

10,84

0,0000
32

2291,98

Q
(lớt/s)

V(cm/
s)

f

Re

9,2

7,29

11,04

0,000
12

2334,27

8

7,76

11,75

0,000
11

2484,4

ng B:
Ch độ
mở
HT
¾

ΔP
ρg ( cm
H2O)
5
4,8

Δ Pm
ρg ( cm
H2O)


½

6

¼

4

8,8

7,45

11,28

0,000
15

2385,02

8

7,76

11,75

0,000
09

2484,4

Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa f theo Re ca ng B
2500

2450

2400

2350

2300

2250
0

0

0

0

0

0

0

0

0

ng C:

P
g ( cm

Ch
m

Q
(lớt/s)

V(cm/
s)

f

Re

6,5

8,34

12,63

0,000
29

2670,45

2

4,5

9,12

13,81

0,000
24

2919,95

2,5

5

8,93

13,53

0,000
21

2860,75

0,000
13

2985,5

H2O)

HT

H2O)

4,3

ắ
ẵ
ẳ

Pm
g ( cm

Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa f theo Re của ống C
1,5

3100

9,32

4

14,12

3000
2900
2800
2700
2600
2500
0

0

0

0

0

0

0

0

0

0


ng D:

P
g ( cm

Ch
m
HT

Q
(lớt/s)

V(cm/
s)

f

Re

H2O)

H2O)

1,5

3

9,71

14,71

0,000
18

3110,25

1

1,8

10,1

7

15,4

0,000
14

3256,14

3

9,71

14,71

0,000
17

3110,25

2

10,1

15,3

0,000
16

3234

ắ
ẵ

Pm
g ( cm

1,5

ẳ

1

th biểu diễn quan hệ giữa f theo Re của ống D

T
hớ

3300
3250
3200
3150
3100
3050
3000
0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

nghim 3:

HT
ắ

Pm (cm
H2O)
15,1
15,3

Pvan (cm
H2O)
4,5
5,1

ẵ

14,5

9,5

STT

Ch m

1
2
3
-

Ta cú:

Pm Pm∗98
15,1∗98
=
∗100=
∗100=15,16 cm H 2 O
ρg
ρg
995∗9.81

0


∆ Pv ∆ Pv∗98

4,5∗98
=
∗100=
∗100=4,52 cm H 2 O
ρg
ρg
995∗9.81

-

Ta có:

-

Lưu lượng: Q = -0,3897*15,16 + 10,875 = 4,97 lít/s

-

4∗4,97
Vận tốc dịng:V = 4 Q = 1000 =3,957 m/s=3 95,7 cm/s
π d 2 3,14∗0.04 2

-

V 2 3,9572
=
=0.798
2 g 2∗9.81

-

Chuẩn số Reynolds : ℜ=

-

Từ thí nghiệm 2 ta vẽ được đồ thị quan hệ giữa f và Re. Phương
trình biểu diễn mối quan hệ giữa chúng là:

ρVd 995∗3,957∗0,04
=
=196860,75
μlV
0,0008

f = -10-6.Re + 0.0385
-

Thừa số ma sát: f = -10-6.Re + 0.0385 = -10-6*16073 + 0.0113 =
0.0177

-

Chiều dài tương đương: l e =

ξd 0.04∗0.04
=
=0.09
f
0.0177

(với ξ = 0.04 ứng với trường hợp ống mở hoàn toàn, d= 40mm:
ng kớnh ng)

m
HT

Pvan
g

Pm
g

(cmH2O)

(cmH2O)

4,52

Q (lớt)

V (cm/
s)

V2/2g

f

Re

le

15,16

4,97

3,957

0.798

0.017
7

196860,
75

0.09

3,893

0.772

0.017
5

193676,
75

0.09
1

4,14

0.874

0.017
1

205765

0.09
4

ắ

5,12

15,36

4,89

ẵ

9,54

14,55

5,2


Đồ thị đặc tuyến riêng và đặc tuyến van gắn vào mạng ống

0.41
0.4
0.39
0.38
0.37
0.36
0.35

0

5

10

15

20

25

IV: Bàn luận
1.Nhận xét các giản đồ và so sánh kết quả:
C

P
(1   ) 4

 So sánh Cm và Cv : V=
Đường kính của màng chắn và venturi bằng nhau do đó lưu lương của
chúng bằng nhau

Cấu tạo của màng chắn và venturi là khác nhau. Màng chắn thay đổi
kích thước đột ngột hơn nên tổn thất áp suất lớn hơn venturi  Cm <
Cv .
Kết quả thí nghiệm cho thấy kết luận trên là đúng.
 Sự phụ thuộc của Cm và Cv theo Re :
Theo phương trình trên, hệ số lưu lượng tỉ lệ thuận với vận tốc dòng
chảy và tỉ lệ nghịch với P . Re tăng kéo theo P tăng do đó C tăng
hay giảm phụ thuộc vào mức độ tăng nhiều hay ít của Re và P .
 So sánh lưu lượng kế màng và venturi :
Do Pm > Pv nên khi sử dụng lưu lượng kế venturi sẽ cho kết quả lưu
lượng chính xác hơn.
Thừa số ma sát trong ống dẫn:
- Chế độ chảy màng (Re < 2320): hệ số ma sát không phụ thuộc
vào độ nhám mà chỉ phụ thuộc vào chế độ chuyển động và hình
dạng mặt cắt ngang của ống.
-

λ=

A
Re

0. 025
Chế độ chảy quá độ ( 2320 < Re < 4000): Re=0. 3164 /Re

9 /8

- Chế độ chảy xoáy (Re 4000): Re gh≈6( d td /ε)
Giản đồ hệ số ma sát theo Re : gồm có 2 vùng:

+ 5000 < Re < 30000 : hệ số ma sát giảm khi Re tăng. Theo lý

thuyết, do D không đổi nên đường biễu diễn f theo Re không phụ

thuộc chiều dài ống nhưng thực nghiệm cho thấy chiều dài ống cũng
ảnh hưởng đến f . Điều này có thể giải thích là do độ nhám của ống
kh6ng đều khơng suốt chiều dài ống, do đóng cặn…
0.316
1/ 4
Trong vùng này f có thể được tính theo cơng thức Re = Re

nhưng sai số khá lớn so với thục nghiệm bởi vì điều kiện tiến hành thí
nghiệm khơng khơng hồn tồn giống nhau, ống trong phịng thí
nghiệm có thể bị đóng cặn, rỉ sét, do quá trình xác định tổn thất cột
áp khơng chính xác…
+ Re > 30000 : hệ số ma sát hầu như khơng đổi khi Re tăng.
c.Thí nghiệm 3 : Chiều dài tương đương của van:
 Giản đồ Q theo độ mở của van ở một vài áp suất :
Theo đồ thị ta thấy, ứng với một giá trị tổn thất cột áp nhất định, lưu
lượng tăng theo độ mở của van.
 Chiều dài tương đương của van :
Độ mở của van cũng ảnh hưởng đến chiều dài tương đương của van.
Độ mở càng lớn, khả năng cản trở dòng chảy càng nhỏ, chiều dài
tương đương càng bé. Chiều dài tương đương nhỏ nhất khi van mở
hoàn toàn.
2.Nhận xét về mức độ tin cậy của kết quả:
- Các giá trị tổn thất cột áp xác định bằng mắt và dao động
liên tục nên kết quả thu được có sai số.
- 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.
Nguyên nhân sai số:
- Các ống dẫn trong thí nghiệm bị đóng cặn.
- Sự hoạt động không ổn định của bơm.
- Sự gỉ sét không đồng đều bên trong ống dẫn đến độ nhám
thành ống không đều.
- Độ mở của các van không đồng nhất giữa các lần thí
nghiệm.
- Trong lúc thí nghiệm, ống bị rị rỉ.
- Do người đo chưa có kĩ thuật, sai số trong tính tốn.
Khắc phục những ngun nhân sai số ấy bằng những cách
sau:
-

Đo nhiều lần để lấy kết quả có sai số ít nhất.


-

Tính tốn cẩn thận .

-

Thường xun bảo trì, kiểm tra máy móc.

3.Dựa trên giản đồ đo được đề nghị mục đích sử dụng của van:
Thực nghiệm cho thấy đặc tuyến van có dạng lõm 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. Điều chỉnh lưu

lượng chất lỏng nhờ vào từng độ mở của van và nhờ đó có thể giảm
được trở lực ma sát và trở lực cục bộ, và giảm tổn thất năng lượng
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.