THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ BÀI 1 MẠCH LƯU CHẤT

Bài 1:
MẠCH LƯU CHẤT
A. LÝ THUYẾT
I. 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,
venturi cùng các bộ phận nối ống như cút, van, chữ T.
II. Cơ sở lý thuyết.
1. Lưu lượng kế màng chắn và venturi.
Nguyên tắc của hai dụng cụ này là dùng sự giảm áp suất của lưu chất
khi chảy qua chúng để đo lưu lượng.
Lưu lượng kế Venturi và màng chắn
Vận tốc trung bình ở vò trí (2) được tính từ công thức tổng kê năng
lượng:
)1(
4
2
βγ
−
∆
=
P
CV
Trong đó:
C: hệ số của màng chắn và venturi, nó tùy thuộc vào chế độ chảy của
Re.
:P∆
độ giảm áp suất qua màng chắn hay venturi, N/m
2
.
:

γ
trọng lượng riêng của lưu chất, N/m
3
.
:
1
2
d
d
=
β
tỷ số giữa đường kính cổ venturi (hay đường kính lổ màng
chắn) trên đường kính ống.
Do đó lưu lượng qua màng chắn hay venturi được tính bằng:
Q = V
2
A
2
= V
1
A
1
.
2. Tổn thất năng lượng do sự chảy của ống dẫn.
Khi lưu chất chỷa trong ống, ta có sự mất năng lượng do ma sát ở
thành ống. Xét trường hợp một ống tròn đều nằm ngang.
1
1
2
2

v
v
v
v
2
2
1
1
Từ phương trình Becnoulli ta có:
0
2
)()(
2
=+∆+
∆
+
∆−
f
HZ
g
V
g
P
α
ρ
Vì:
0
2
)(
2

=
∆
g
V
α
và
0
=∆
Z

g
P
H
f
ρ
∆
=⇒

:
f
H
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:
gD
LV
fH
f
2
2

=
Trong đó:
:f
hệ số ma sát, vô thứ nguyên.
L: chiều dài ống, m.
D: đường kính ống, m.
a) Trong chế độ chảy từng:
Tổn thất ma sát được tính theo công thức sau:
2
32
gD
LV
H
f
ρ
µ
=
Hệ số ma sát
f
có thể tính theo công thức của Hagen – Poiseuille:
Re
6464
==
ρ
µ
DV
f
Trong đó:
:
µ

hệ số độ nhớt động lực học, Kg.s/m.
V: vận tốc dòng chảy, m/s.
:
ρ
khối lượng riêng của chất lỏng, Kg/m
3
.
Đối với chất lỏng là nước ở điều kiện thường (20
o
C) thì:
µ
= 10
-2
poise = 10
-3
Kg/s.m = 10
-3
N.s/m
2
= 10
-3
Pa.s và
ρ
= 1000
Kg/m
3
.
b) Trong chế độ chảy rối:
Hệ số ma sát
f

tùy thuộc vào Re và độ nhám tương đối của ống






D
ε
.
Độ nhám tương đối của ống là tỷ số giữa độ nhám thành
ε
(độ nhám
tuyệt đối) trên đường kính ống D.
Người ta có thể tính
f
từ một số phương trình thực nghiệm như
phương trình Nikuradse, hay để thuận tiễn người ta sử dụng giản đồ
f
theo
Re và






D
ε
(giản đồ Moody).

Ngoài sự mất mát năng lượng do ma sát trong ống dẫn nói trên, ta
còn có sự mất mát năng lượng do trở lực cục bộ, như do sự thay đổi tiết dện
chảy, thay đổi hướng chảy, hay do sự thay đổi tiết diện van. Trong trường
hợp này ta có công thức tính trở lực cục bộ như sau:
td
td
cb
gD
Vl
fP
2
2
=∆
:
td
l
chiều dài tương đương của cút, van, …
Chiều dài tương đương được đònh nghóa như chiều dài của một đọan
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 dể thắng trở lực do bộ phận
ta đang xét gây ra:
g
V
P
cb
2
2
ξ
=∆

td
td
D
l
f=
ξ

f
D
l
td
td
ξ
=
B. THÍ NGHIỆM
I. Kết quả đo.
Thí nghiệm 1: Trắc đònh lưu lượng kế màng chắn và venturi.

lần
TN
đổ mở
van 7
W
(lít)
thời gian
t(s)

1
1/4 1 3.40 113.00 137.00 114.00 127.00

1/2 3 6.19 112.00 136.50 114.00 127.00
3/4 5 12.97 111.50 136.50 113.90 127.00
HT 7 22.58 111.00 136.00 113.00 127.00

2
1/4 1 3.87 119.00 135.00 110.00 128.00
1/2 3 8.93 112.00 136.50 114.00 127.00
3/4 5 13.63 111.50 136.50 113.00 127.00
HT 7 19.49 111.50 136.00 114.00 127.00

3 1/4 1 3.52 115.00 136.00 117.00 127.00
)(
2
OCmH
g
Pm
ρ
)(
2
OCmH
g
Pv
ρ
1/2 3 8.59 111.50 136.50 114.00 127.00
3/4 5 14.00 111.00 137.00 113.00 127.00
HT 7 19.17 111.50 136.50 113.50 127.00
Thí nghiệm 2: Thiết lập giản đồ f theo Re cho ống A, B, C, D.
1. Cho ống A:
2. Cho ống B:
Lần TN

Độ mở
van 6
1
1/4 125.5 133.5 129 127
1/2 114 134.5 126 121
3/4 108 136 124 118
HT 106 136 125 117
2
1/4 127 133 129 127
1/2 121 134 127 121
3/4 110 135.5 126 119
HT 106 136 124 117
3
1/4 124 134 128 126
1/2 106 135 126 122
3/4 109.5 136 125 119
HT 105 137 124 117
Lần TN
Đổ mở
van 6
1
1/4 127 134 129.00 128.00
1/2 113 134 125.00 123.00
3/4 113 142 123.00 120.00
HT 100 143 123 119
2
1/4 127 134.5 129 128
1/2 113.5 137 125 123
3/4 103 142 123 120
HT 99.5 143 123 119

3
1/4 126 134 129 128
1/2 114.5 137 125 123
3/4 103 142 123 120
HT 100 143 123 119
)(
2
OCmH
g
Pm
ρ
)(
2
OCmH
g
Pv
ρ
)(
2
OCmH
g
Pm
ρ
)(
2
OCmH
g
Pv
ρ
3. Cho oáng C:

4. Cho oáng D:
lần
TN
ñoä môû
van 6
1
1/4 123 129 137 114
1/2 118 126.5 138 107
3/4 115.5 125 139 104
HT 114.5 124.5 139 102
2 1/4 125 130 137 117
1/2 117.5 126 138 106
3/4 115 125 139 103
lần TN
ñoä môû
van 6
1
1/4 124.5 134 132 123
1/2 115 133.5 131 116
3/4 110 133.5 130 112
HT 107 133 130 110
2
1/4 122 133.5 132 112
1/2 112 133.5 131 114
3/4 109 133 130 111
HT 107 133 130 110
3
1/4 124 134 131 123
1/2 111.5 133 131 113
3/4 108 133 131 111

HT 107 133.5 130 110
)(
2
OCmH
g
Pm
ρ
)(
2
OCmH
g
Pv
ρ
)(
2
OCmH
g
Pm
ρ
)(
2
OCmH
g
Pv
ρ
HT 114.5 124.5 140 102
3
1/4 123 129 137 113
1/2 116 125.5 139 104
3/4 114.5 124.5 139 102

HT 114 124.5 139 102
II. Kết quả tính.
1. Trình tự tính toán như sau:
Thí nghiệm 1:
)/( sl
t
W
Q =
)(
2
OmH
g
P
g
P
g
P
mbemlơnm
ρρρ
−=
∆
)(
2
OmH
g
P
g
P
g
P

vbevlơnv
ρρρ
−=
∆
µ
ρ
VD
f
==
64
Re
Tìm V, ta có Q = V
2
A
2
= V
1
A
1
.
V
1
= V
2
vì van và cút có tiết diện giống nhau, A
1
= A
2
do đường kính
lỗ của màng chắn và đường kính cổ venturi bằng nhau (17mm), lối vào

màng chắn và venturi bằng nhau (40mm).
Vậy:
)/(
4
2
sm
D
Q
A
Q
V
π
==
Q: m
3
/s.
Sau khi tính V ta tính được Re.
Với các thông số sau:
ρ
= 1000 Kg/m
3
khối lượng riêng của chất lỏng
ở 20
0
C,
14.3
=
π
,
µ

= 10
-3
Kg/sm độ nhớt của nước ở 20
0
C, D = 17mm = 17.10
-
3
m đường kính lổ của màng và đường kính cổ của venturi.
Tính Cm và Cv.
Từ công thức:
)1(
4
2
βγ
−
∆
=
P
CV

Ta có :
( )
4
1
βγ
−
∆
=
P
V

C
Với Cm thì tính theo
m
P∆
, Cv tính theo
v
P∆
g
ργ
=
:
1
2
d
d
=
β
tỷ số giữa đường kính cổ venturi (hay đường kính lổ màng
chắn) trên đường kính ống.
29
17
=
β
g
g
P
P
ρ
ρ
.

∆
=∆
Thí nghiệm 2:
Q (l/s) được tra từ đồ thò biểu hiện sự phụ thuộc của Q đối với thủy
dầu áp suất
g
P
m
ρ
∆
và
g
P
v
ρ
∆
g
P
m
ρ
∆
và
g
P
v
ρ
∆
được tính tương tự như thí nghiệm 1.
2
4

D
Q
A
Q
V
π
==
Với mỗi thí nghiệm tương ứng với mỗi loại ống thì D khác nhau. Số
liệu kích thước cho mỗi loại ống cho trong bảng sau:
Loại
ống
Đường kính ngoài
(mm)
Đường kính trong
(mm)
A 34 29
B 26.5 22
C 21.5 17
D 16.5 13.5
Tính f.
Từ công thức:
gD
LV
fH
f
2
2
=
Vậy:
2

2
LV
gDH
f
f
=
Với:
g
P
H
ong
f
ρ
∆
=
Lấy g = 10 m/s
2
.
L: chiều dài của mỗi ống = 1.5m .
f
64
Re =
Thí nghiệm 3.
Các thông số tính tương tự thí nghiệm 1 và thí nghiệm 2.
f tra từ đồ thò
Để tính chiều dài tương đương
:
td
l
cho van 5 theo các độ mở khác

nhau ta có.
g
V
P
cb
2
2
ξ
=∆

td
td
D
l
f=
ξ

f
D
l
td
td
ξ
=
Trong đó:
ξ
và D
td
tra theo bảng sau ứng với mỗi độ mở khác nhau
của van 5.

Độ mở Mở hoàn
toàn
¾ ½ ¼
ξ
0.12 0.26 2.06 17
D
(mm)
29 26.83 22.63 16.28
2. Bảng kết quả tính cho mỗi thí nghiệm:
Thí mghiệm 1:
Q
(l/s) Re Cm Cv
V
(m/s)

0.32 0.04 0.01 23713.43 6.5498 13.0996 1.3949
0.41 0.24 0.04 30752.85 3.4677 8.494135 1.809
0.42 0.3 0.05 31327.1 3.1595 7.739254 1.8428
0.45 0.31 0.05 33994.88 3.3728 8.398319 1.9997

0.31 0.19 0.03 23417.01 2.9677 7.468522 1.3775
0.42 0.3 0.04 31441.02 3.171 8.684213 1.8495
0.43 0.31 0.03 32495.42 3.2241 10.36395 1.9115
0.45 0.06 0.04 33559.89 7.5685 9.269458 1.9741

0.36 0.18 0.02 26667.06 3.4722 10.41655 1.5687
0.49 0.19 0.03 36974.23 4.6858 11.7924 2.175
0.43 0.31 0.03 32133.12 3.1881 10.2484 1.8902
0.44 0.31 0.02 32742.89 3.2486 12.78986 1.9261
Bảng giá trò trung bình:

Re Cm Cv Q Pv Pm

24599 4.329892 10.3282 0.33 0.02 0.14
)(
2
OmH
g
Pm
ρ
∆
)(
2
OmH
g
Pv
ρ
∆
33056 3.774856 9.65692 0.44 0.04 0.24
31985 3.19058 9.45053 0.43 0.04 0.31
33433 4.729985 10.1525 0.45 0.04 0.23
Thí nghieäm 2:
Cho oáng A:
Q (l/s)

V (m/s) f Re

0.32 0.08 0.02 0.484712618 0.032915 14057
0.34 0.20 0.04 0.515007157 0.058314 14935
0.40 0.37 0.05 0.605890773 0.052665 17571
0.42 0.42 0.06 0.636185312 0.057322 18449

0.32 0.08 0.01 0.484712618 0.016458 14057
0.36 0.24 0.02 0.545301696 0.026007 15814
0.4 0.39 0.03 0.605890773 0.031599 17571
0.44 0.44 0.04 0.66647985 0.03482 19328

0.32 0.08 0.01 0.484712618 0.016458 14057
0.34 0.23 0.02 0.515007157 0.029157 14935
0.4 0.39 0.03 0.605890773 0.031599 17571
0.43 0.43 0.04 0.651332581 0.036458 18889
Cho oáng B:
Q (l/s)

V (m/s) f Re

0.10 0.03 0.842238248 0.012405 18529 0.10
0.20 0.04 0.894878139 0.014652 19687 0.20
0.30 0.04 0.947518029 0.013069 20845 0.30
0.33 0.05 1.00015792 0.014662 22003 0.33

0.06 0.02 0.842238248 0.00827 18529 0.06
0.13 0.06 0.868558193 0.02333 19108 0.13
0.26 0.07 0.921198084 0.024197 20266 0.26
)(
2
OmH
g
Pm
ρ
∆

)(
2
OmH
g
Pv
ρ
∆
)(
2
OmH
g
Pm
ρ
∆
)(
2
OmH
g
Pv
ρ
∆
0.30 0.07 0.947518029 0.022871 20845 0.30

0.10 0.02 0.842238248 0.00827 18529 0.10
0.29 0.04 0.947518029 0.013069 20845 0.29
0.27 0.06 0.921198084 0.02074 20266 0.27
0.32 0.07 1.00015792 0.020527 22003 0.32
Cho oáng C:
Q (l/s)

V (m/s) f Re

0.04 0.03 1.366451414 0.003642 23230 0.04
0.17 0.09 1.410530492 0.010253 23979 0.17
0.14 0.12 1.410530492 0.013671 23979 0.14
0.28 0.12 1.586846803 0.010802 26976 0.28

0.12 0.2 1.366451414 0.024279 23230 0.12
0.22 0.17 1.45460957 0.018211 24728 0.22
0.24 0.19 1.498688647 0.019174 25478 0.24
0.26 0.2 1.542767725 0.019047 26227 0.26

0.10 0.08 1.410530492 0.009114 23979 0.10
0.22 0.18 1.45460957 0.019283 24728 0.22
0.25 0.2 1.498688647 0.020183 25478 0.25
0.27 0.2 1.542767725 0.019047 26227 0.27
Cho oáng D:
Q (l/s)

V (m/s) f Re

0.325 0.09 0.14 2.271674836 0.004883 30668
0.33 0.10 0.16 2.30662368 0.005413 31139
0.335 0.11 0.15 2.341572523 0.004924 31611
0.33 0.10 0.14 2.30662368 0.004736 31139

0.31 0.05 0.2 2.166828305 0.007667 29252
0.325 0.09 0.32 2.271674836 0.011162 30668
0.33 0.10 0.36 2.30662368 0.012179 31139
0.33 0.10 0.38 2.30662368 0.012856 31139

)(
2
OmH
g
Pm
ρ
∆
)(
2
OmH
g
Pv
ρ
∆
)(
2
OmH
g
Pm
ρ
∆
)(
2
OmH
g
Pv
ρ
∆

0.32 0.06 0.24 2.236725992 0.008635 30196

0.33 0.10 0.35 2.30662368 0.011841 31139
0.33 0.10 0.37 2.30662368 0.012518 31139
0.335 0.11 0.37 2.341572523 0.012147 31611
Thí nghòeâm 3:
III. Xử lý số liệu (vẽ đồ thò)
Giản đồ giữa lưu lượng Q đối với hiệu số thuỷ dầu áp suất
∆
P
m
/
ρ
g và
∆
P
v
/
ρ
g qua màng chắn và ống Venturi
Giản đồ giữa hệ số lưu lượng kế C
m
và C
v
theo Re
Giaỷn ủo thửứa soỏ ma saựt

theo Re
Giản đồ lưu lượng Q theo áp suất ở các độ mở van
Giản đồ lưu lượng Q theo áp suất ở các độ mở van
Giản đồ đặc tuyến riêng và đặc tuyến van gắn vào mạng

ống
IV. Nhận xét kết quả và bàn luận
1. Giản đồ biểu diễn lưu lương Q đối với hiệu số thủy dầu áp suất
qua màng chắn và Venturi :
Độ chênh cột áp tăng theo lũy thừa 2 đối với lưu lượng
∆
p=K
1
Q
Ứng với một giá trò Q,
∆
p
m
>
∆
p
v
thì tổn thất năng lượng qua
màng lớn hơn qua venture
Giải thích: màng có cổ co hẹp đột ngột làm cho dòng lưu chất
khi qua màng bò tổn thất nhiều và đột ngột, vận tốc dòng chảy
tăng lean, áp suất thủy tỉnh giảm, áp suất động lực học tăng( áp
suất thủy tỉnh giảm nhiều do chuyển thành áp suất động lực nhiều)
Hệ số lưu lượng kế Cm , Cv theo Re cùng moat lưu lượng chảy qua
có hệ số lưu lượng venture thấp
Theo lý thuyết
)1(
4
2
βγ

−
∆
=
P
CV

Do đó hệ số lưu lượng C sẽ tỷ lệ nghòch với độ giảm áp không có độ
giảm áp lớn hơn . suy ra hệ số lưu lượng của màng sẽ bé hơn venture
như vậy kết quả thí nghiệm sẽ phù hợp với lý thuyết.
Mặt khác hệ số lưu lượng biểu thò tỷ lệ giưa vận tốc trung bình và
vận tốc cực đại của dòng. Venturi có cổ thấp dần do đó vận tốc trung
bình và vận tốc cực đại của dòng venture có cổ thắt dần, vận tốc
trung bình không chênh leach lớn với vận tốc cực đại của dòng và
màng chắn có cổ co hẹp đột ngột nên vận tốc trung bình nhỏ hơn vận
tốc cực đại. Do đó Cm < Cv
2. Giản đồ biểu diễn hệ số lưu lượng kế Cm, Cv theo Re :
Hệ số lưu lượng kế không thay đổi đối với một loại lưu lượng kế
nhất đònh, không phụ thuộc vào chế độ dòng chảy trong khu vực
Trong thực tế, hệ số C
m
, C
v
dao động quanh một giá trò nhất đònh
C
m
=0,5 C
v
=0,8
Hệ số C
m

,C
v
dao động do dòng chảy không ổn đònh vì :
- Thay đổi lưu lượng
- Thay đổi độ mở của van 15.
C biểu thò mức độ tổn thất năng lượng khi dòng chảy qua lưu lượng
kế
C
v
> C
m
: Tổn thất năng lượng của lưu lượng khi dòng chảy qua lưu
lượng kế venturi nhỏ hơn tổn thất năng lượng của lưu lượng của lưu
lượng kế màng
3. Giản đồ biểu diễn thừa số ma sát f theo Re :
Theo lý thuyết :
- Khu vực chảy tầng f=f
1
(Re)
- Khu vực chảy rối thành trơn f=f
2
(Re)
- Khu vực quá độ từ chảy rối thành trơn sang chảy rối thành
nhám: f=f
3
(Re,
∆
/d)
- Khu vực chảy với thành nhám hoàn toàn f=f
4

(
∆
/d)
Theo thực nghiệm :
Từ giản đồ ta nhận thấy cùng một độ nhám tương đối nhưng
sự phụ thuộc của f theo Re khác nhau khi khảo sát trên những
chiều dài ống khác nhau sự khác biệt ở trên là do sự không đồng
nhất độ mở của van 13 giữa các lần thí nghiệm , sự rò rỉ chất lỏng
dọc đường ống , độ nhám của ống không đồng đều dọc theo ống (do
gỉ sét)
Sự phân chia các khu vực chế độ chảy phụ thuộc vào độ nhám
tương đối, đường kính của ống và vận tốc lưu chất trong ống do đó
vùng Re chảy tầng của ống này có thể là vùng Re chảy rối của ống
kia
Ống 1": f thay đổi theo Re chia làm hai khu vực :
- f tăng khi Re tăng từ 6500 ÷10000 : Khoảng Re này thể hiện chế
độ dòng chảy là chảy tầng
- f không đổi khi Re > 10000 : Khoảng Re này thể hiện chế độ
dòng chảy quá độ là chảy rối thành trơn sang chảy rối thành
nhám, khi này f đạt giá trò gần bằng 0,065.
Ống 3/8": f thay đổi theo Re chia làm hai khu vực :
- f tăng khi Re tăng từ 15000 ÷25500 : Khoảng Re này thể hiện
chế độ dòng chảy là chảy tầng
- f không đổi khi Re > 26000 : Khoảng Re này thể hiện chế độ
dòng chảy quá độ là chảy rối thành trơn sang chảy rối thành
nhám, khi này f đạt giá trò gần bằng 0,031.
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 cho trước.

- Mức độ tổn thất năng lượng cũng thể hiện ở chiều dài tương
đương L
e
(bảng số liệu cho thí nghiệm 3). Độ mở càng lớn thì L
e
càng nhỏ tức tổn thất cục bộ càng nhỏ.
5. Đặc tuyến riêng của van tại các độ mở khác nhau :
- Cùng một giá trò lưu lượng ở các độ mở van càng lớn, độ mở áp suất
càng lớn
- Đường đặc tuyến riêng của van nằm dưới đường 45
0
tức là van sử dụng
là van cửa.
- Độ mở của van ảnh hưởng nhiều đến tổn thất năng lượng của hệ thống,
giản đồ cho thấy ứng với cùng một trò số lưu lượng Q thì tổn thất áp suất
qua van mở 1/4 là cao nhất và qua van mở hoàn toàn là nhỏ nhất do đó
để giảm tổn thất ta phải mở van hoàn toàn khi sử dụng.
- 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 .
6. Các nguyên nhân gây sai số :
- Sự rò rỉ chất lỏng dọc đường ống, làm tổn thất năng lượng .
- Sự hoạt động không ổn đònh 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 .
- Bơm hoạt động không ổn đònh, do đó mức chất lỏng trong các ống
cũng không ổn đònh.
- trong quá trình thí nghiệm nhiệt độ của nước tăng lean dẫn đến
giá trò lưu lượng có thay đổi

- Mức chất lỏng giao động nhanh do đó kết quả đọc được không
chính xác
- Điều chỉnh van không đều ở các thí nghiệm
- Thí nghiệm sau dựa vào thí nghiemj trước để tính toán dẫn đến
sai số ngày càng tăng.
* Nhận xét về mức độ tin cậy của kết quả:
Các kết quả trong thí nghiệm 1 tuy có giá trò không đúng hoàn
toàn. Tuy nhiên sai số có thể chấp nhận được Cm < Cv cùng moat lưu
lượng Q độ giảm áp của màng lớn hơn của venture
Trong thí nghiệm 2 các giá trò hệ số ma sát tính được có giá trò
không chính xác.
Trong thí nghiệm 3 kết luận rút ra từ giản đồ đã vẽ là phù hợp với
lý thuyết ( giản đồ lưu lượng theo độ giảm áp của van ở các độ mở )