1 1. TRÍCH YẾU 1.1. Mục đích thí nghiệm Khảo sát đặc tính động lực học lưu chất và khả năng hoạt động của cột chêm bằng cách xác định: - Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí và lỏng lên tổn thất áp suất (độ giảm áp) khi đi qua cột. - Sự biến đổi của hệ số ma sát cột khô f ck theo chuẩn số Reynolds (Re) của dòng khí và suy ra các hệ thức thực nghiệm. - Sự biến đổi của thừa số liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột khô và qua cột ướt theo vận tốc dòng lỏng. - Giản đồ giới hạn khả năng hoạt động của cột (giản đồ ngập lụt và gia trọng). 1.2. Phương pháp thí nghiệm Cho dòng khí với các lưu lượng khác nhau qua cột có chứa các vật chêm bằng sứ. Lần lượt khảo sát độ giảm áp khi chỉ có dòng khí chuyển động qua cột (cột khô) và khi có dòng khí chuyển động qua cột khi dòng lỏng chảy từ trên xuống có lưu lượng thay đổi qua từng chế độ (cột ướt). 1.3. Kết quả thô G (%) Cột khô Cột ướt v = 0,2 v = 0,4 v = 0,6 v = 0,8 v = 1,0 v = 1,2 10 2 2 3 2 2 3 4 15 3 4 4 5 7 7 9 20 6 8 7 9 11 11 13 25 9 10 11 13 17 15 19 30 11 14 15 19 23 22 33 35 14 17 19 23 33 35 52 40 19 21 25 30 39 43 72 45 22 27 31 39 62 64 96 50 26 31 37 59 82 87 145 55 31 39 45 75 106 142 188 60 36 45 55 102 127 177 65 43 53 73 127 168 230 70 50 60 94 157 205 75 55 79 134 222 265 80 61 92 153 255 337 85 69 107 185 315 90 77 123 235 385 95 85 144 282 100 94 162 338 *Số in nghiêng: điểm ngập lụt
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
1. TRÍCH YẾU
1.1. Mục đích thí nghiệm
Khảo sát đặc tính động lực học lưu chất và khả năng hoạt động của cột chêm bằng cách xác
định:
- Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí và lỏng lên tổn thất áp suất (độ giảm áp) khi đi qua
cột.
- Sự biến đổi của hệ số ma sát cột khô fck theo chuẩn số Reynolds (Re) của dòng khí và
suy ra các hệ thức thực nghiệm.
- Sự biến đổi của thừa số liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột khô và qua cột
ướt theo vận tốc dòng lỏng.
- Giản đồ giới hạn khả năng hoạt động của cột (giản đồ ngập lụt và gia trọng).
1.2. Phương pháp thí nghiệm
Cho dòng khí với các lưu lượng khác nhau qua cột có chứa các vật chêm bằng sứ. Lần lượt
khảo sát độ giảm áp khi chỉ có dòng khí chuyển động qua cột (cột khô) và khi có dòng khí
chuyển động qua cột khi dòng lỏng chảy từ trên xuống có lưu lượng thay đổi qua từng chế độ
(cột ướt).
1.3. Kết quả thô
G (%) Cột
khô
Cột ướt
v = 0,2 v = 0,4 v = 0,6 v = 0,8 v = 1,0 v = 1,2
10 2 2 3 2 2 3 4
15 3 4 4 5 7 7 9
20 6 8 7 9 11 11 13
25 9 10 11 13 17 15 19
30 11 14 15 19 23 22 33
35 14 17 19 23 33 35 52
40 19 21 25 30 39 43 72
45 22 27 31 39 62 64 96
50 26 31 37 59 82 87 145
55 31 39 45 75 106 142 188
60 36 45 55 102 127 177
65 43 53 73 127 168 230
70 50 60 94 157 205
75 55 79 134 222 265
80 61 92 153 255 337
85 69 107 185 315
90 77 123 235 385
95 85 144 282
100 94 162 338
*Số in nghiêng: điểm ngập lụt
2
1.4. Nhận xét kết quả thô
- Đối với chế độ cột khô: khi tăng dần phần trăm thể tích lưu lượng dòng khí qua cột
chêm thì độ sụt áp trong cột tăng dần từ 2 mmH2O với 10% thể tích khí đến 94 mmH2O
với 100% thể tích khí qua hệ thống cột chêm. Kết quả phù hợp với lý thuyết.
- Đối với chế độ cột ướt: độ sụt áp cũng tăng dần khi tăng phần trăm thể tích lưu lượng
dòng khí qua hệ thống và nhiều hơn so với cột khô. Khi tăng lưu lượng dòng lỏng phun
vào hệ thống thì điểm ngập lụt xảy ra nhanh hơn do trở lực của dòng lỏng tăng dần.
Theo kết quả thí nghiệm, điểm ngập lụt xảy ra khi lưu lượng khí qua cột khoảng 95%
đối với v = 0,2 lít/phút và khi lưu lượng khí qua cột khoảng 50% khi tăng lưu lượng
dòng lỏng lên đến v = 1,2 lít/phút.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Độ giảm áp của dòng khí
Độ giảm áp Pck của dòng khí qua cột phụ thuộc vào vận tốc khối lượng G của dòng khí qua
cột khô (không có dòng chảy ngược chiều). Khi dòng khí chuyển động trong các khoảng
trống giữa các vật chêm tăng dần vận tốc thì độ giảm áp cũng tăng theo. Sự gia tăng này theo
lũy thừa từ 1,8 đến 2,0 của vận tốc dòng khí.
Pck = Gn với n = 1,8 – 2,0 (1)
Khi có dòng lỏng chảy ngược chiều, các khoảng trống giữa những vật chêm bị thu hẹp lại.
Dòng khí do đó di chuyển khó khăn hơn vì một phần thể tích tự do giữa các vật chêm bị
lượng chất lỏng chiếm cứ. Khi tăng vận tốc dòng khí lên, ảnh hưởng cản trở của dòng lỏng
tăng lên đều đặn cho đến một trí số tới hạn của vận tốc khí, lúc đó độ giảm áp của dòng khí
tăng vọt lên. Điểm ứng với trị số tới hạn của vận tốc khí này được gọi là điểm gia trọng. Nếu
tiếp tục tăng vận tốc dòng khí quá trị số tới hạn này, ảnh hưởng cản trở hỗ tương giữa dòng
lỏng và dòng khí rất lớn, Pc tăng mau chóng không theo phương trình (1) nữa. Dòng lỏng lúc
này chảy xuống cũng khó khăn, cột chêm ở điểm lụt.
Đường biểu diễn log(Pc/Z) (độ giảm áp suất của dòng khí qua một đơn vị chiều cao của phần
chêm trong cột) dự kiến như trình bày trên hình 1.
Hình 1: Ảnh hưởng của G và L đối với độ giảm áp cột khô Pc
3
2.2. Hệ số ma sát fck theo Rec khi cột khô
Chilton và Colburn đề nghị một hệ thức liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột chêm
khô với vận tốc khối lượng của dòng khí qua cột.
wh
hg
ckckD
ZGfP
2
2 , N/m2
Z: chiều cao phần chêm, m.
G: vận tốc khối lượng dòng khí dựa trên một đơn vị tiết diện cột, kg/s.m2.
Dh: kích thước đặc trưng của vật chêm, m.
g: khối lượng riêng của pha khí, kg/m3.
h: hệ số điều chỉnh dùng cho vật chêm rỗng.
w: hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng của thành cột lên độ xốp của cột chêm.
Sherwood tổng hợp kết quả của một số nghiên cứu và đưa ra trị số sau cho vòng sứ Raschig:
h = 0,35
w = 1
Tuy nhiên, Zhavoronkov đề nghị một hệ thức khác chính xác hơn vì đã đưa được trị số độ xốp
của cột chêm vào hệ thức:
eG
ckck
D
ZGfP
2
22 , N/m
2
: độ xốp của vật chêm.
:4
aDe
đường kính tương đương của vật chêm, m.
a: diện tích bề mặt riêng của vật chêm, m2/m
3.
Hệ số ma sát fck là hàm số theo chuẩn số vô thứ nguyên Rec, với Rec được tính theo công thức
sau:
4e
c
GD GRe
a
: độ nhớt của dòng khí, kg/ms.
Zhavoronkov đã xác định được khi dòng khí chuyển từ chế độ chảy tầng sang chế độ chảy rối
ứng với trị số Rec = 50. Trong vùng chảy rối, 50 < Rec < 7000 với cột chêm ngẫu nhiên. Ta
được:
0 2
3 8ck ,
c
,f
Re
Tuy nhiên, các hệ thức tổng quát trên không được chính xác lắm vì không xem xét được toàn
bộ ảnh hưởng của hình dạng vật chêm.
4
2.3. Độ giảm áp Pcư khi cột ướt
Sự liên hệ giữa độ giảm áp cột khô Pck và cột ướt Pcư có thể biểu diễn như sau:
Pcư = Pck
Do đó, có thể dự kiến: fcư = fck
Với : hệ số phụ thuộc vào mức độ xối tưới của dòng lỏng L, kg/m2s.
Leva đề nghị ảnh hưởng của L lên như sau:
= 10L
hay log = L
Giá trị tùy thuộc vào loại, kích thước, cách thức sắp xếp vật chêm (xếp ngẫu nhiên hay theo
thứ tự) và độ lớn của lưu lượng dòng lỏng L. Thí dụ với vật chêm là vòng sứ Raschig
12,7mm, chêm ngẫu nhiên, độ xốp = 0,586; giá trị của L từ 0,39 đến 11,7 kg/m2s và cột hoạt
động trong vùng dưới điểm gia trọng.
= 0,084
Một số tài liệu còn biểu diễn sự phụ thuộc giữa tỉ số ck
cö
p
p
với hệ số xối tưới như sau:
32
1 753
2
L
L L
G, qA
Re F g
Khi A < 0,3 cho vật chêm bằng sứ có d < 30 mm, ta có:
3
1
1
4
cu
ck
LL
L
p
p ( A )
GRe
Fa
2.4. Điểm lụt của cột chêm
Khi cột chêm bị ngập lụt, chất lỏng chiếm toàn bộ khoảng trống trong phần chêm, các dòng
chảy bị xáo trộn mãnh liệt, hiện tượng này rất bất lợi cho sự hoạt động của cột chêm. Gọi giá
trị của GL tương ứng với trạng thái này là GL*
.
Hình 2: Giản đồ lụt của cột chêm
5
Zhavoronkov kết luận rằng trạng thái ngập lụt xảy ra khi hai nhóm số sau có sự liên hệ nhất
định với nhau cho mỗi cột.
2
0,2ck G1 td3
L
f a v
2g
và G2
L
L
G
fck: hệ số ma sát cột khô.
v: vận tốc dài của dòng khí ngay trước khi vào cột, m/s.
tđ: độ nhớt tương đối của chất lỏng so với nước, ,
nöôùc
l
tñ
nếu chất lỏng là nước thì tđ
= 1.
Do đó sự liên hệ 1, 2 trên giản đồ log1 - log2 sẽ xác định một giản đồ lụt của cột chêm,
phần giới hạn hoạt động của cột chêm dưới đường này.
3. THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
3.1. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm
Thiết bị thí nghiệm gồm có:
- Cột thủy tinh, bên trong là các vòng sứ Raschig xếp chêm ngẫu nhiên.
- Hệ thống cấp khí gồm có:
- Bơm (quạt) thổi khí BK.
- Ống dẫn khí.
- Áp kế sai biệt chữ U.
- Lưu lượng kế khí F có độ chia từ 8 đến 100%.
- Hệ thống cấp nước gồm:
- Thùng chứa nước bằng nhựa N.
- Bơm chất lỏng BL.
- Lưu lượng kế lỏng Fl có độ chia từ 0 đến 1,6.
3.2. Các số liệu liên quan đến cột chêm
- Cột thủy tinh:
Đường kính d = 0,09 m.
Chiều cao H = 0,805 m.
Chiều cao phần chêm Z = 0,42 m.
- Vật chêm xếp ngẫu nhiên, vòng Raschig đường kính 12,7 mm, bề mặt riêng a = 370 –
380 m2/m
3, độ xốp = 0,586.
- Đường kính ống thép ở đáy cột D = 0,09 m.
6
Hình 3: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm cột chêm
3.3. Phương pháp thí nghiệm
- Khóa lại tất cả van lỏng (từ 1 đến 4).
- Mở van 5 và khóa van 6.
- Cho quạt chạy trong 5 phút để thổi hết ẩm trong cột. Tắt quạt.
- Mở van 1 và 2, sau đó cho bơm chạy.
- Mở van 3 và từ từ khóa van 1 để điều chỉnh mức lỏng ở đáy cột ngang bằng với ống
định mức g. Tắt bơm và khóa van 3.
- Đo độ giảm áp của cột khô:
Khóa tất cả các van lỏng lại. Mở van 6 còn van 5 vẫn đóng. Cho quạt chạy rồi từ từ
mở van 5 để chỉnh lưu lượng khí vào cột.
7
Ứng với mỗi giá trị lưu lượng khí đã chọn ta đọc Pck trên áp kế U theo mmH2O.
Đo xong tắt quạt, nghỉ 5 phút.
- Đo độ giảm áp khi cột ướt:
Mở quạt và điều chỉnh lưu lượng khí qua cột khoảng 15 – 20%.
Mở van 1 và cho bơm chạy. Dùng van VL tại lưu lượng kế để chỉnh lưu lượng lỏng
(lưu lượng kế lỏng có vạch chia 0,1; 0,2; …; 1,6). Nếu VL đã mở tối đa mà phao vẫn
không lên thì dùng van 1 để tăng lượng lỏng.
Ứng với lưu lượng lỏng đã chọn (ví dụ: 0,1; 0,2…) cố định, ta chỉnh lưu lượng khí
và đọc độ giảm áp Pcư giống như Pck trước đó. Chú ý là tăng lượng khí đến điểm
lụt thì thôi.
Chú ý:
- Trong quá trình đo độ giảm áp của cột ướt cần canh giữ mức lỏng ở đáy cột luôn ổn
định ở ¾ chiều cao đáy bằng cách chỉnh van 4. Nếu cần, tăng cường van 2 để nước
trong cột thoát về bình chứa (van 2 dùng để xả nhanh khi giảm lưu lượng khí).
- Khi tắt máy phải tắt bơm lỏng BL trước, mở tối đa van 4 sau đó tắt quạt BK.
- Nếu sơ xuất để nước tràn vào ống dẫn khí thì mở van xả nước ở phía bảng.
4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
4.1. Kết quả
Bảng 1: Các trị số kết quả trong trường hợp cột khô
G, kg/m2.s ∆Pck/Z, (N/m
2)/m fck Reck
0,083 46,71 8,055 45,952
0,125 70,07 5,370 68,927
0,166 140,14 6,041 91,903
0,208 210,21 5,800 114,879
0,249 256,93 4,923 137,855
0,291 327,00 4,603 160,830
0,332 443,79 4,783 183,806
0,374 513,86 4,376 206,782
0,415 607,29 4,189 229,758
0,457 724,07 4,127 252,734
0,498 840,86 4,028 275,709
0,540 1004,36 4,099 298,685
0,581 1167,86 4,110 321,661
0,623 1284,64 3,938 344,637
0,664 1424,79 3,839 367,613
0,706 1611,64 3,846 390,588
0,748 1798,50 3,829 413,564
0,789 1985,36 3,793 436,540
0,831 2195,57 3,786 459,516
8
Bảng 2: Các trị số kết quả trong trường hợp cột ướt