Báo cáo thí nghiệm quá trình và thiết bị MẠCH LƯU CHẤT

Mục Lục
I.

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM: ...........................................................................2

II. PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: ..................................................................2
III. LÍ THUYẾT THÍ NGHIỆM .........................................................................2
1. Lưu lượng kế màng chắn và Venturi ....................................................................... 2
2. Tổn thất năng lượng do sự chảy của ống dẫn .......................................................... 3

IV. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM: ............................................................................5
V. PHÚC TRÌNH ...................................................................................................6
5.1. Kết quả số liệu thí nghiệm .................................................................................... 6
5.2. Tính hệ số màng chắn và Venturi ......................................................................... 8
5.3. Tính thừa số ma sát trong ống dẫn ....................................................................... 9
5.4. Tính chiều dài tương đương của van: ................................................................. 11
5.5. Đồ thị .................................................................................................................. 12
5.6. Bàn luận .............................................................................................................. 13

VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO: ..........................................................................14

1


BÀI 1: MẠCH LƢU CHẤT
I.

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM:
Khảo sát sự chảy của nước ở phòng thí nghiệm cùng với 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 nhằm xác định:
 Thí nghiệm 1: Trắc định hệ số lưu lượng kế màng chắn C

m

và Venturi CV

theo chế độ chảy ( Re ).
 Thí nghiệm 2: Hệ số ma sát f theo chế độ chảy ( Re ) cho ống dẫn.
 Thí nghiệm 3: Đặc tuyến van, xác định chiều dài tương đương (Ltđ ).

II.

PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM:
Thí nghiệm 1: Cho dòng chảy lưu chất qua thiết bị có gắn lưu lượng kế màng chắn

và Venturi. Đọc tổn thất cột áp ứng với từng lưu lượng dòng chảy và từng lưu lượng kế.
Thí nghiệm 2: Cho dòng chảy lưu chất qua màng ống và lần lượt qua ống. Chỉnh
van để lần lượt thay đổi lưu lượng dòng chảy, đọc tổn thất cột áp của màng chắn và ống.
Lặp lại thí nghiệm với từng ống có đướng kính khác nhau.
Thí nghiệm 3: Cho dòng chảy lưu chất qua màng chắn và van. Ứng với từng độ
mở của van, đọc tổn thất cột áp qua màng và van.

III.

LÍ THUYẾT THÍ NGHIỆM

1. Lƣu lƣợng kế màng chắn và Venturi
Nguyên tắc của hai dụng cụ này là đo lưu lượng dựa trên cơ sở của sự chênh lệch
áp suất do có sự giảm tiết diện đột ngột của dòng lưu chất khi chảy qua chúng.

Hai dụng cụ này có cấu tạo như nhau:

2


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

C: Hệ số màng chắn và Venturi, phụ thuộc vào chế độ chảy (Re).
∆P: Độ giảm áp suất qua màng chắn hay Venturi, N/m2.
Β= d2 / d1 , tỉ số đường kính cổ Venturi hay đường kính lỗ màng chắn trên đường kính.
Gia tốc trọng trường g=9,81 m/s2.
Do đó lưu lượng qua màng chắn hay Venturi: Q = V2A2 = V1A1
2. Tổn thất năng lƣợng do sự chảy của ống dẫn
Khi lưu chất chảy trong ống, có sự mất mát năng lượng do ma sát ở thành ống. Xét
trường hợp ống tròn đều nằm ngang.
Phương trình Bernoulli cho ta:
(P) (V 2 )

 Z  H  0
f
g
2g

3


(V 2 )
 0 va Z  0
Vì
2g

H

f



(P)
g

Hf: thủy dầu tồn thất ma sát trong ống, m
Tổn thất năng lượng này liên hệ với thừa số ma sát bằng phương trình
Darceyweisbach:
Lv 2
H f
f
2gD

Trong đó:
L: chiều dài ống, m
D: Đường kính ống, m
f: hệ số ma sát, vô thứ nguyên
a)Trong chế độ chảy tầng:
Tổn thất ma sát được tính theo công thức sau:
H

f



32V

gD 2 

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

64
64

DV Re

b)Đối với sự chả rối:

Hệ số ma sát f tùy thuộc vào Re và độ nhám tương đối của ống ( ) . Độ nhám
D

tương đối của ống là tỉ 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 thuận tiện người ta sử dung giản đồ f theo Re và ( ) ( giản đồ
D

Moody).

4


Ngoài sự mất mát năng do ma sát trong ống dẫn nói trên, ta còn 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 công thức tính trở lực cục bộ như sau:

 td v 2
2 gD

Pcb  f

(1)

Với  td : chiều dài tương đương của cút , van,… Chiều dài tương đương được định nghĩa
như chiều dài của một 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:
Pcb  

v2
2g

(2)

So sánh hai vế của công thức (1) và (2) ta có:
 f

Từ đó ta có:

IV.

 td 

 td
D

D
f

THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM:

-Một hệ thống ống dẫn và van có kích thước khác nhau, lắp đặt như trong tài liệu hướng
dẫn
-Bơm
-Đồng hồ đo
-Số liệu kích thước 4 ống dẫn bằng inox:
Loại ống
A
B
C
D

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

Đường kính trong (mm)
29
22
17
13,5

Độ nhám e = 0.000005

5


Màng chắn :

lối vào : 40 mm

đường kính trong: 17 mm

Venturi

lối vào : 40 mm

đường kính trong: 17 mm

:

PHÚC TRÌNH

V.

5.1. Kết quả số liệu thí nghiệm
Thí nghiệm 1:

STT

Chế
độ
mở

W (lit)

t (s)

∆pm
(cm H2O)

∆pv
(cm H2O)

∆pm (N/m2)

∆pv (N/m2)

1

HT

40

84

30.0

19.0

2942.0

1863.3

2

¾

40

86

28.0

18.0

2745.9

1765.2

3

½

40

94

24.0

16.0

2353.6

1569.1

4

¼

40

246

4.0

2.5

392.3

245.2

Thí nghiệm 2:

Ống A
STT

Chế độ mở

∆pm
(cm H2O)

∆pv
(cm H2O)

∆p ống A
(cm H2O)

∆pm
(N/m2)

∆pv
(N/m2)

1

HT

24.0

16.0

2.7

2353.6

1569.1

2

¾

22.0

15.0

2.5

2157.5

1471.0

3

½

20.5

13.0

1.8

2010.4

1274.9

4

¼

5.0

3.0

0.5

490.3

294.2

6


Ống B
STT

Chế độ mở

∆pm
(cm H2O)

∆pv
(cm H2O)

∆p ống A
(cm H2O)

∆pm
(N/m2)

∆pv
(N/m2)

1

HT

22.0

14.5

10.0

2157.5

1422.0

2

¾

21.0

13.5

9.5

2059.4

1323.9

3

½

14.0

8.5

6.3

1372.9

833.6

4

¼

4.0

2.5

1.5

392.3

245.2

Ống C
STT

Chế độ mở

∆pm
(cm H2O)

∆pv
(cm H2O)

∆p ống A
(cm H2O)

∆pm
(N/m2)

∆pv
(N/m2)

1

HT

19.0

12.0

35.5

1863.3

1176.8

2

¾

16.5

10.5

31.0

1618.1

1029.7

3

½

8.5

5.0

16.5

833.6

490.3

4

¼

1.5

0.8

2.5

147.1

78.5

Ống D
STT

Chế độ mở

∆pm
(cm H2O)

∆pv
(cm H2O)

∆p ống A
(cm H2O)

∆pm
(N/m2)

∆pv
(N/m2)

1

HT

12.0

7.5

55.0

1176.8

735.5

2

¾

10.0

5.8

46.5

980.7

568.8

3

½

3.5

2.0

16.0

343.2

196.1

4

¼

0.3

0.1

1.0

29.4

9.8

7

Thí nghiệm 3: Van 6 mở hoàn toàn
Chế
∆pm
∆pv
STT độ mở
(cm H2O) (cm H2O)
van 5

∆pvan
(cm H2O)

∆pm
(N/m2)

∆pv
(N/m2)

∆pvan
(N/m2)

1

HT

24.0

15.0

6.5

2353.6

1471.0

637.4

2

¾

23.0

14.0

11.0

2255.5

1372.9

1078.7

3

½

22.5

13.5

21.5

2206.5

1323.9

2108.4

4

¼

19.5

12.5

87.5

1912.3

1225.8

8580.8

5.2. Tính hệ số màng chắn và Venturi
Ở nhiệt độ 30oC
-

Khối lượng riêng của nước:  = 996.5 kg/m3

-

Độ nhớt của nước: μ = 0.7978*10-3 N.s/m2

-

Gia tốc trọng trường: g = 9,81 m/s2

-

Trọng lượng riêng của nước: γ = ρ.g = 996.5*9.81 = 9775.67 N/m3

Công thức tính lưu lượng:

, lít/s

-

Ta có:

Pm Pm .98

.100 , cmH2O
g
g

-

Ta có:

Pv Pv .98

.100 , cmH2O
g
g

-

Vận tốc qua màng chắn và venturi: V =

4Q
, m/s
d 2

(với d = 17 mm: đường kính lỗ của venturi và màng chắn)
-

Công thức tính chuẩn số Reynolds: Re =

-

Hệ số của màng chắn:
Cm = V

-

 (1   4 )
2 gPm

Hệ số của venturi:

Cv = V

 (1   4 )
2 gPv

8

Vd



Tỉ số giữa đường kính cổ venturi hay lỗ màng chắn trên đường kính ống:
=17/40 = 0.425

W
(lit)

t (s)

Q
(lit/s)

(cm H2O)

(cm H2O)

HT

40

84

0.476

30.0951

¾

40

86

0.465

½

40

94

¼

40

246

Độ mở

Re

Cm

Cv

19.0602

44570

0.850

1.068

28.0887

18.0571

43534

0.859

1.071

0.426

24.0761

16.0507

39829

0.849

1.040

0.163

4.0127

2.5079

15219

0.794

1.005

Độ
mở

(cm H2O)

(cm H2O)

(cm H2O)

HT

30.0951

19.0602

¾

28.0887

½
¼

Q (lit/s)

V
(m/s)

11.035

0.476

2.099

18.0571

10.032

0.465

2.050

24.0761

16.0507

8.025

0.426

1.876

4.0127

2.5079

1.505

0.163

0.717

5.3. Tính thừa số ma sát trong ống dẫn
 Ống A:
Dùng số liệu ở thí nghiệm 2 ta thực hiện các phép tính sau:
Vận tốc: V =

4Q
, cm/s ( với d=29mm: đường kính trong của ống A).
d 2

Thừa số ma sát trong ống A: f =

P 2 gd
( với L=1.5m: chiều dài của ống A).

g LV 2

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

9


Chế độ
mở

P
( cm H2O)
g

Pm
( cm H2O)
g

HT

8.025

24.076

0.4187

¾

7.022

22.070

½

7.524

¼

2.006

Q (lít/s) V(cm/s)

f

Re

63.42

0.07568

22973

0.3967

60.08

0.07379

21763

20.565

0.3681

55.75

0.09182

20194

5.016

0.1755

26.58

0.10775

9627

Thực hiện phép tính tương tự như tính cho ống A với việc sử dụng số liệu đo
được cho từng ống B, C, D trong thí nghiệm 2 và đường kính trong ống B,C, D lần lượt
là: 22mm, 17mm, 13.5mm, chiều dài ống B, C, D là 1.5m thì ta tính được kết quả như
sau:

 Ống B:
Chế độ
mở

P
( cm H2O)
g

Pm
( cm H2O)
g

HT

7.524

22.070

0.3918

¾

7.524

21.067

½

5.517

¼

1.505

Q (lít/s) V(cm/s)

f

Re

103.13

0.0204

28339

0.376

98.96

0.0221

27193

14.044

0.2843

74.83

0.0284

20564

4.013

0.1644

43.28

0.0231

11892

 Ống C:
Chế độ
mở

P
( cm H2O)
g

Pm
( cm H2O)
g

Q (lít/s)

V(cm/s)

f

Re

HT

7.022

19.060

0.3491

153.88

0.0066

32675

¾

6.019

16.552

0.3191

140.67

0.0068

29869

½

3.511

8.527

0.2165

95.41

0.0086

20259

¼

0.702

1.505

0.1325

58.41

0.0046

12404

10


 Ống D:

Chế độ
mở

P
( cm H2O)
g

Pm
( cm H2O)
g

HT

4.514

12.038

0.2623

¾

4.213

10.032

½

1.505

¼

0.201

Q (lít/s) V(cm/s)

f

Re

183.32

0.0024

30913

0.2335

163.19

0.0028

27518

3.511

0.1565

109.39

0.0022

18446

0.301

0.1183

82.71

0.0005

13946

5.4. Tính chiều dài tƣơng đƣơng của van:
Vân tốc: V =

4Q
, cm/s ( với d=40mm: đường kính trong của ống).
d 2

Thừa số ma sát trong ống A: f =

Chuẩn số Reynolds : Re =

P 2 gd
( với L=1.5m: chiều dài của ống ).
g LV 2

Vd


Chiều dài tương đương là: le =

d
f

( với  = 0.04 ứng với trường hợp ống mở hoàn toàn, d= 40mm: đường kính ống )
Dùng số liệu đo được trong thí nghiêm 3 và trở lực theo độ mở của van khi van 5 mở ¾ ;
½ ¼ lần lượt là:  =0,26;  =2,06,  =17 rồi thực hiện tính toán tương tự như trên cho các
độ mở khác nhau của van 5 , kết quả tính toán thu được thể hiện trong bảng sau:

Pvan
g

Pm
g

HT

( cm H2O)
6.521

¾

Độ
mở

V (cm/s)

( cm H2O)

24.076

Q
(lít)
0.4091

61.96

11.035

23.073

0.3932

½

21.568

22.571

¼

87.777

19.562

f

Re

le

0.0196

0.0300

22444

0.053

59.56

0.0181

0.0549

21574

0.189

0.3853

58.36

0.0174

0.1118

21139

0.737

0.357

54.08

0.0149

0.5300

19589

1.283

11


5.5. Đồ thị
3.1 Lưu lượng Q đối với hiệu số thủy dầu áp suất

và

qua màng chắn và ống

venturi.
12.000

∆𝐏/𝛒𝐠, cm H2O

10.000

8.000
6.000
4.000
2.000
0.000
0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

0.300

0.350

0.400

0.450

0.500

Q, lit/s

3.2 Hệ số lưu lượng kế Cm và Cv theo Re

1.200
1.000

Hệ số C

0.800
0.600

Cm theo Re
Cv theo Re

0.400
0.200
0.000
0

10000

20000

30000

Hệ số Re

12

40000

50000

3.3 Thừa số ma sát theo Re
0.12000

Hệ số ma sát f

0.10000
0.08000
Ống A

0.06000

Ống B
Ống C

0.04000

Ống D
0.02000
0.00000
0

5000

10000

15000

20000

Hệ số Re

5.6. Bàn luận
Nhận xét các giản đồ và so sánh kết quả
a) Thí nghiệm 1:

So sánh Cm và Cv :
-

Ta có:

-

Hệ số của màng chắn:
Cm = V

-

 (1   4 )
2 gPm

Hệ số của venturi:
Cv = V

 (1   4 )
2 gPv

13

25000

30000

35000


Theo lý thuyết, với đường kính lỗ và đường kính màng bằng nhau nên V qua màng
chắn và venturi bằng nhau và β của màng chắn và venturi bằng nhau. Do đó C tỉ lệ
nghịch với ∆P.
Màng chắn và Venturi có cấu tạo khác nhau. Màng chắn thay đổi kích thước đột
ngột hơn nên áp suất lớn hơn venture => Cm < Cv.
Dựa vào kết quả ta thấy được kết luận Cm < Cv là đúng.
Giản đồ biểu diễn Q với hiệu số thủy dầu áp suất

và

qua ống venturi và màng

chắn:
+ Độ chênh lệch áp suất tăng ứng với một giá trị Q,
qua màng lớn hơn qua venturi
-

thì tổn thất năng lượng

Sự phụ thuộc của Cm và Cv theo Re: Re tăng kéo theo ∆P nên C tăng hay giảm phụ
thuộc vào mức độ tăng nhiều hay ít của Re và ∆P do theo phương trình hệ số lưu
lượng tỉ lệ thuận với vận tốc dòng chảy và tỉ lệ nghịch với ∆P

-

So sánh lưu lượng kế màng và venture: Từ kết quả thí nghiệm ta nhận thấy ∆Pm > ∆Pv
do đó nên sử dụng lưu lượng kế Venturi sẽ cho kết quả chính xác hơn

b) Thí nghiệm 3:
Chiều dài tương đương càng bé khi khi độ mở van càng lớn do khả năng cản trở
dòng chảy càng nhỏ. Từ kết quả thí nghiệm ta nhận thấy chiều dài tương đương nhỏ nhất
khi van mở hoàn toàn.

VI.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:
[1] Lê Song Giang – Nguyễn Thị Phương,“ Cơ lưu chất “
[2] Trần Hùng Dũng – Nguyễn Văn Lục – Vũ Bá Minh – Hoàng Minh Nam,”Các
quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất và thực phẩm”,tập 1 “ các quá trình cơ
học”,quyển 2, Nhà xuất bản đại học quốc gia TPHCM.
[3] />
14


VII. PHỤ LỤC

15