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

Báo Cáo Thí Nghiệm Q Trình & Thiết Bị
Bài 1: Mạch Lưu Chất
A. Phần I: TRÍCH YẾU
I. Mục đích thí nghiệm: Khảo sát sự chảy của nước ở phịng thí nghiệm trong 1 hệ thống ống
dẫn có đường kính khác nhau và có chứa lưu lượng kế màng chắn, venturi cùng các bộ phận nối
ống như cút, van, chữ T.
II. Nội dung thí nghiệm:
- Trắc định lưu lượng kế màng chắn và venturi
- Thiết lập giản đồ f theo Re cho ống A, B, C, D và van số 5 theo từng độ mở của van
III. Nhiệm vụ của bài thí nghiệm:
- Xác định các thơng số độ giảm áp của ống A, B, C, D khi k =1.5m và độ giảm áp của màng.
- Xác định thông số của van số 5: độ giảm áp của màng và van.
- Vẽ các giản đồ:
+ Lưu lượng Q đối với hiều suất thủy dầu áp suất

ΔPPm ΔPP v
và
ρgg
ρgg

qua màng chắn và ống venturi

+ Hệ số lưu lượng kế C m và Cv theo Re.
+ Thừa số ma sát theo Re
+ Lưu lượng Q theo độ mở của van ở một vài áp suất
+ Đặc tuyến riêng và đặc tuyến van gắn vào mạng ống này.
IV. Cơ sở lý thuyết của thí nghiệm:
1. Lưu lượng kế màng chắn và venture:
Nguyên tắc của 2 dụng cụ này là dùng sự giảm áp suất của lưu chất khi chảy qua chúng để đo lưu
lượng.

Vận tốc trung bình ở vị trí (2) được tính từ công thức tổng kê năng lượng:

V 2 =C

√

ΔPP
γ(1− β 4 )

Trong đó:
C: hệ số của màng chắn vnturi, nó tùy thuộc vào chế độ chảy Re.
ΔP P: Độ giảm áp suất qua màng chắn hay Venturi, N/m2.
γ Trọng lượng riêng của lưu chất, N/m3.


d2
d 1 Tỉ số giữa đường kính cổ Venturi hay đường kính lỗ màng chắn trên đường kính ống.
Do đó lưu lượng qua màng chắn hay Venturi:
β=

Q=V 2 . A2 =V 1 . A 1

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 1 ống tròn đều nằm ngang.
Từ phương trình Bernoulli ta có:
2

(− ΔPP ) ΔP(αVV )
+

+ΔPZ +H 1 =0
ρgg
2g
2

ΔP(αVV )
=0
2g
Vì
và ΔP Z = 0
(−ΔPP )
Hf =
ρgg
=>
Hf : thủy đầu tổn thất ma sát trong ống, m.
Tổn thất năng lượng này liên hệ với thừa số ma sát bằng phương trình Darceyweisbach:
2

LV
H f =f
2 gD
f: hệ số ma sát, vơ thứ ngun.
L: chiều dài ống, m.
D: đường kính ống, m.
A. Chế độ chảy tầng:
Tổn thất ma sát được tính theo cơng thức sau:

Hf =

32 μ lV

gD 2 ρg

Hệ số ma sát f có thể tính theo cơng thức của Hagen – Poiseuille:

f=

64 μ 64
=
DV ρg Re

B. Chế độ chảy rối:

ε
D

( )

Hệ số ma sát f tùy thuộc vào Re và độ nhám tương đối
. Độ nhám tương đối của ống là tỷ
số giữa độ nhám thành ε trên đường kính ống D.
Người ta có thể tính f từ một số phương trình thực nghiệm như phương trình Nikuradse, hay để

( Dε )

thuận tiện người ta sử dụng giản đồ f theo Re và
(giản đồ Moody).
Ngoài sự mất mát năng lượng do mát trong ống dẫn nói trên, ta cịn có sự mất mát năng lượng do
trở lực cục bộ. Ví dụ: do sự thay đổi tiết diện chảy, hay do sự thay đổi tiết diện van.
Trong trường hợp này ta có cơng thức tính trở lực cục bộ như sau:

l tđ v 2
ΔPP cb=f
2 gD
l
Với tđ : chiếu 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 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:

ΔPP cb=ξ

v2
2g

So sánh 2 vế của công thức trên ta có:
l
ξ=f tđ
D

ξ .D
f
Từ đó ta có:
B. Phần II: THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHHIỆM
l tđ =

I. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm:

Dụng cụ thí nghiệm:
Thì kế để tính thời gian

Số liệu kích thước 4 ống dẫn bằng inox:


Loại ống
A
B
C
D
Độ nhám e = 0,000005
Màng chắn: lối vào: 40 mm
Venturi: lối vào: 40 mm

Đường kính ngồi (mm)
34
26,5
21,5
16,5

Đường kính trong (mm)
29
22
17
13.5

đường kính lỗ: 17 mm
đường kính cỗ: 17 mm

II. Phương pháp thực hành thí nghiệm trong thực tế:

Độ mở van 8 luôn để cố định.

1. Trắc định lưu lượng kế màng chắn và Venturi
Mở van 9 cho nước vào bình đến vạch tối đa.
Mở hồn tồn van 4, 5 đóng van 6, 7 mở 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 nhau chưa.
Khi mức chất lỏng trong cột áp của màng chắn hay Venturi đã bằng nhau, ta tiến hành làm thí
nghiệm.
Chọn lưu lượng nước tùy ý, từ từ mở van 7, ứng với mỗi độ mở van 7 với lưu lượng đã chọn đọc
cột áp của Venturi và màng chắn, thời gian. Khi hết nước trong bình chứa phải đóng van 7, mở
van 6, 9 cho nước vào bình chứa.
2. Thiết lập giản đồ f theo Re cho ống A, B, C, D và van số 5
a)
Cho ống A:
Khóa van 6, 7, mở van 9 cho nước chảy vào đầy bình chứa, mở 2 van ở 2 nhánh áp kế của ống
A. Kiểm tra mức nước trong cột áp kế ống A, nếu mức nước bằng nhau thì tiến hành thí nghiệm.
Dùng van 6 chỉnh lưu lượng. Ứng với mỗi độ mở của van 6 đọc độ giảm áp của màng chắn và
ống A ở độ dài k = 1,5 m. Van 6 chỉnh đến độ mở tối đa.
b)
Cho ống B, C, D
Tương tự thí nghiệm cho ống A, thay vì mở van 4 thì mở van 3 hoặc 2 tùy loại ống.
c)
Cho van số 5
Van 5 để mở hoàn toàn, dùng van 6 chỉnh lưu lượng, ứng với mỗi độ mở của van 6 ta đọc độ
giảm áp của mảng và van.
Xong thí nghiệm với độ mở hồn tồn. Đóng lại van 5 một vịng ½ sẽ được độ mở 3/4. Rồi tiếp
tục đo như trên, khi nào mở hết cỡ van 6, lúc đó độ giảm áp của màng và van không thay đổi,
nghĩa là đo độ mở ¾ đã xong. Tiếp tục khóa van số 5 mt vũng ẵ s c m ẳ ri tip tục
đo. Như vậy ta đã thí nghiệm xong với 4 độ mở khác nhau của van số 5: mở hoàn ton, m 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

C. Phn III. SỐ LIỆU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM
I. Số liệu thơ khi thí nghiệm:
1. Thí nghiệm 1:


Ta có:

W 6
= =0.375 lít /s
t 16
Từ đó ta tính được bảng số liệu sau:
Lưu lượng: Q=

STT
1
2
3
4

Chế độ
mở
HT
3/4
1/2
1/4

W (lít)

t(s)

6
5.5
4.5
5.5

16
16
14
17

∆Pm (cm
H20)
10.5
11.3
11.5
9.5

2. Thí nghiêm 2:
Ống A:

STT
1
2
3
4
Ống B:
STT
1
2
3
4
Ống C:
STT
1
2
3
4
Ống D:
STT
1

∆Pm (theo ống
A)
10.5
11.3
11.5
9.5

∆P theo ống
A

1
1.4
1
1

∆Pm (theo ống
B)
9.2
8
8.8
8

∆P theo ống
B
4
4
5
3.5

∆Pm (theo ống
C)
6.5
4.5
5
4

∆P theo ống
C
12
12

10
7

∆Pm (theo ống
D)
3

∆P theo ống
D
10

∆Pv (cm
H20)
8
7.3
7
5

Lưu lượng Q (lít/
s)
0.375
0.34375
0.32
0.32


2
3
4

1.8
3
2

9
11.2
10

3. Thí nghiệm 3:
STT

Chế độ mở

∆Pm (cm H2O)

∆Pvan (cm H2O)

1

HT

15.1

4.5

2

3/4

15.3

5.1

3

1/2

14.5

9.5

II. Xử lý số liệu:
1. Thí nghiệm 1:
Ta có:

ρg=998.2kg/m3
2
g=9.81m/s
μ=0.001004 N /m2
γ=9792.342N /m3
1cmH 2 0=98.1 N /m2

d 2 17
= =0. 425
d 1 40
∆ Pm ∆ Pm∗98
10.5∗98
=
∗100=
∗100=10.5 cm H 2 O

ρgg
ρgg
998.2∗9.81
β=

∆ Pv ∆ Pv∗98
8∗98
=
∗100=
∗100=0.08 cm H 2 O
ρgg
ρgg
998.2∗9.81
Q
0.375
4
1000
1000
V=
=
=1.65 m/s=16.5 cm/ s
2
d
17 2
π
π
1000
1000
4

(

) (

Vρgd
ℜ=
=
μ
C m=V

√

)

17
)
1000
=27887.95817
0.001004

1.65∗998.2∗(

γ (1−β 4)
9792.342∗( 1−0.4254 )
=1.65∗
=1.13
2 g ∆ Pm
2∗9.81∗10.5∗98.1

√

C v =V

√

γ (1−β 4)
9792.342∗( 1−0.4254 )
=1.65∗
=1.294
2 g ∆ Pv
2∗9.81∗8∗98.1

√

Tương tự như tính cho chế độ mở hồn tồn, ta có bảng số liệu sao theo từng chế độ mở:
Bảng 4:
Chế độ
mở
HT
3/4
1/2
1/4

Q (lít/s)

∆Pm (cm H20)

∆Pv (cm H20)

V(m/s)

Re

Cm

Cv

0.375
0.3437
5
0.321
0.324

10.5
11.3

8
7.3

1.65
1.51

27887.95817

1.13

1.294

25521.70717

0.99

1.23

11.5
9.5

7
5

1.41
1.42

23831.52789
24000.54582

0.92
1.02

1.18
1.4

* Giản đồ Q đối với hiệu số thủy dầu áp suất ∆ Pm và ∆ Pv


Q với hiệu số thủy dầu áp suất qua màng chắn và venturi
0.4
0.38
0.36

0.34

∆Pm

f(x) = − 0 x + 0.34

Q

0.32

Linear
(∆Pm)

0.3

∆Pv

0.28
0.26
0.24
0.22

7

7.5

8

8.5

9

9.5

10

10.5

11

11.5

12

∆P

*Giản đồ Hệ số lưu lương kế Cm và Cv theo Re

Cm và Cv theo Re
1.5
1.4
1.3

C

1.2
Cv
Cm

1.1

1
0.9
0.8
0.7
17000

19000

21000

23000

25000

27000

29000

Re

2. Thí nghiệm 2:
*Với ống A: d = 29mm
Dựa vào giản đồ của Q với hiệu suất thủy dầu qua màng chắn ngoại suy tuyến tính ta xác định


được Q=−0.0003∗∆ P m +0.3442=−0.0003∗10.5+0.3442=0.34105l /s
Q
0.34105
4
1000

1000
V=
=
=0.516 m/s
2
d
29 2
π
π
1000
1000
29
0.516∗998.2∗(
)
Vρgd
1000
ℜ=
=
=14877.55458
μ
0.001004
2∗9.81∗29
∗1
2 gd ∆ P
1000
f=
=
=1.424
l tđ V 2 ρgg
1.5∗0.5162

4

(

) (

)

Tương tự như vậy ta tính được bảng số liệu theo ống B với d = 22mm và ống C d = 17mm và
ống D d = 13.5mm
*Ống A:
Chế độ
mở
HT
3/4
1/2
1/4

∆Pm(cmH20)

∆Pv(cmH20)

Q (lít/s)

V (m/s)

f

Re

10.5
11.3
11.5
9.5

8
7.3
7
5

0.34105
0.34081
0.34075
0.34135

0.516
0.515
0.515
0.516

1.424
2.002
1.43
1.424

14877.55458
14848.72211
14848.72211
14877.55458

∆Pm(cmH20)

∆Pv(cmH20)

Q (lít/s)

V (m/s)

f

Re

9.2
8
8.8
8

5
4.8
6
4

0.34144
0.3418
0.34156
0.3418

0.898
0.899
0,898

0.899

1.427
1.424
1.784
1.246

19641.87171
19663.74462
19641.87171
19663.74462

∆Pm(cmH20)

∆Pv(cmH20)

Q (lít/s)

V (m/s)

f

Re

6.5
4.5
5
4

4.3

2
2.5
1.5

0.34225
0.34285
0.3427
0.343

1.507
1.51
1.509
1.511

1.17
1.17
0.97
0.68

25471.00179
25521.70717
25504.80538
25538.60896

*Ống B:
Chế độ
mở
HT
3/4
1/2

1/4
*Ống C:
Chế độ
mở
HT
3/4
1/2
1/4
*Ống D:


Chế độ
mở
HT
3/4
1/2
1/4

∆Pm(cmH20)

∆Pv(cmH20)

Q (lít/s)

V (m/s)

f

Re

3
1.8
3
2

1.5
1
1.5
1

0.3433
0.34366
0.3433
0.3436

2.398
2.4
2.398
2.4

0.307
0.275
0.344
0.306

32185.98466
32212.82869
32185.98466
32212.82869

*Giản đồ thừa số ma sát ống A, B, C, D theo Re
1.6

f

1.2
Ống A
Linear (Ống A)
Ống B
Linear (Ống B)
Ống C
Linear (Ống C)
Ống D
Linear (Ống D)

0.8

0.4

0
14000 16000 18000 20000 22000 24000 26000 28000 30000 32000 34000
Re


3. Thớ nghim 3:

m


Hon ton

t ca ng

ắ
0,26

ẵ
2,06

ẳ
17

Mng chắn lối vào d = 40mm
đường kính lỗ: 17mm
Venturi lối vào d = 40mm
đường kính lỗ: 17mm
Với chế độ mở hoàn toàn của van 5:
Dựa vào giản đồ của Q với hiệu suất thủy dầu qua màng chắn ngoại suy tuyến tính ta xác định
được Q=−0.0003∗∆ P m +0.3442=−0.0003∗15.1+0.3442=0.33967l/ s
Q
0.33967
4
1000
1000
V=
=
=0.514 m/s
2
d
29 2
π

π
1000
1000
4

(

) (

)

V 2 0.5142
=
=0.0134
2 g 2∗9.81

ℜ=

Vρgd
=
μ

0.514∗998.2∗(
0.001004

29
)
1000

=14826.99581

Dựa vào giản đồ hệ số ma sát của f theo Re, ngoại suy tuyến tính ta có
f =−0.0002∗ℜ+ 4.2543=−0.0002∗14826.99581+ 4.2543=1.288
Với độ mở hồn tồn van 5 ta có ξ=0.04 và mở

3

1

4

d 0.04∗29 /1000
le= =
=0.0009 m
f
1.288

là 0.26 và

2

là 2.06

Tương tự áp dụng cách tính cho độ mở van 3/4 và 1/2 ta có bảng số liệu sau:
STT

Van 5

∆Pm(cm
H20)

∆Pv(cm
H20)

Q(lít/s)

V(m/s)

V2/2g

f

Re

le

1

HT

15.1

9.8

0.33967

0.514

0.0134

1.288

14826.99581

0.0009

2

3/4

15.3

10.2

0.33961

0.5141

0.01347

1.289

14822.77289

0.005

3

1/2

14.5

9.5

0.33985

0.5145

0.01349

1.287

14834.30588

0.04


 Giản đồ Q theo độ mở của van ở một vài áp suất:

Độ mở của van 5 ở một vài áp suất
0.14
0.12

Q (lít/s)

0.1
0.08

Mở HT
Mở 3/4

Mở 1/2

0.06
0.04
0.02
0
0.25

0.3

0.35

0.4

Pv (cmH20)

 Đồ thị đặc tuyến van:

0.45

0.5

0.55


Đường Đặc Tuyến Riêng Của Van
1.2
1

Q/Qmax

0.8
0.6

Đường 45
Đường Đặc Tuyến

0.4
0.2
0
0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Độ mở của van

D. Phần IV: Bàn luận
*Bàn luận:
- Nhận xét về các giản đồ và so sánh kết quả trong sách:
ΔPPm ΔPP v
và
ρgg qua màng chắn và ống venturi:
+ Lưu lượng Q đối với hiệu số thủy dầu áp suất ρgg
Ta có thể thấy tổn thất áp suất của màng chắn lớn hơn venturi vì venturi co hẹp dần trong khi
màng chắn co hẹp đột ngột.
+ Hệ số lưu lượng kế C m và Cv theo Re:

V =C

√

ΔPP .2 g
(1− β 4 )

Ta thấy từ kết quả tính tốn và đồ thị Cm < Cv. Do đó đúng với lý thuyết vì do venturi co hẹp dần, màng chắn
co hẹp đột ngột nên hệ số lưu lượng của venturi lớn hơn của màng chắn.
Hệ số lưu lượng kế Cm và Cv giảm khi trị số Re tăng.

+ Thừa số ma sát theo Re: thừa số ma sát phụ thuộc vào chế độ chảy của chất lỏng và độ nhám
của thành ống dẫn. Có 3 chế độ chảy:
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.
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)

[

3 .7

]

A
Re

0. 025

(Re giới hạn trên)
9/8

Re khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám Ren =220( dtđ /ε )
quá độ. Cơng thức tính hệ số ma sát cho cả 3 khu vực:

ΔP
√ λ=−2 lg ( 6 .8 Re )0.9 +

λ=

. Có 3 khu vực nhẵn thủy lực, nhám,

1

Theo thí nghiệm ta thấy trên những đường kính ống dẫn khác nhau thì Re cũng khác nhau nên
khi Re tăng thì hệ số ma sát cũng tăng theo.
+ Lưu lượng Q theo độ mở của van ở một vài áp suất: Với độ mở van 5 ta có thể thấy lưu lương
Q tăng dần khi độ mở tăng dần.
+ Đặc tuyến riêng biệt và đặc tuyến van gắn vào mạng ống này: Độ mở của van ảnh hưởng rất
nhiều đến tổn thất năng lượng và trở lực của hệ thống ống dẫn. Tổn thất năng lượng của van ở
chế độ mở hoàn toàn là thấp nhất.
- Mức tin cậy của kết quả và các nguyên nhân sai số:
+ Do số liệu sai số trong quá trình đo nên các kết quả chỉ mang tính tương đối.
+ Độ giảm áp dao động liên tục do lưu lượng không ổn định nên khi quan sát dẫn tới sai số.
+ Và do nước bị rỉ làm hao hụt trong quá trình đo.
+ Lúc vặn van không chuẩn xác độ mở theo yêu cầu của bài thí nghiệm
+ Và lúc canh thời gian với mực chất lỏng do lúc đọc mực chất lỏng cũng bị sai số.
+ Và do ống có đóng cặn nên q trình đo cũng khơng chuẩn xác.
- Mục đích sử dụng của van: 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. Tuy
nhiên để giảm trở lực trên ống dẫn cịn có thể, giảm chiều dài ống. Tăng đường kính ống vì tăng
đường kính thì ΔPP m giảm rất nhiều. Giảm hệ số trở lực λ . Và giảm
ống, van và độ mở của van.
* Tài liệu tham khảo:
- Tập 3: Quá Trình Thiết Bị Và Truyền Khối - Võ Văn Bang - Vũ Bá Minh
- Giáo trình Thí Nghiệm Q Trình và Thiết Bị.
- Bài tập Truyền khối tập 3 - Trịnh Văn Dũng

ξ bằng cách chọn