TRÍCH YẾU
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:
1) Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí và lỏng lên tổn thất áp suất (độ giảm áp) khi đi qua cột.
2) 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.
3) 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.
4) Giản đồ giới hạn khả năng hoạt động của cột (giản đồ ngập lụt và gia trọng).
Kết quả thí nghiệm
LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM
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 trong cột khô, không có dòng chảy ngược chiều Khi dòng khí di chuyển qua các khoảng trống giữa các vật chêm, vận tốc tăng lên dẫn đến độ giảm áp cũng tăng theo Mức độ tăng này theo lũy thừa từ 1,8 đến 2,0 của vận tốc dòng khí.
Khi dòng lỏng chảy ngược chiều, khoảng trống giữa các vật chêm bị thu hẹp, khiến dòng khí di chuyển khó khăn hơn do thể tích tự do bị chiếm giữ bởi chất lỏng Khi tăng vận tốc dòng khí, ảnh hưởng cản trở của dòng lỏng tăng đều cho đến khi đạt trị số tới hạn, tại đó độ giảm áp của dòng khí tăng mạnh Điểm này được gọi là điểm gia trọng Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí vượt quá trị số tới hạn, ảnh hưởng cản trở giữa dòng lỏng và dòng khí trở nên lớn, dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng của Pc, không còn tuân theo phương trình ban đầu Lúc này, dòng lỏng cũng gặp khó khăn khi chảy xuống, tạo ra cột ở điểm lụt Đường biểu diễn log(Pc/Z) dự kiến như trong hình 1.
Hình 1: Ảnh hưởng của G và L đối với độ giảm áp của cột P c
Điểm lụt của cột chêm
Khi cột chêm bị ngập lụt, chất lỏng lấp đầy hoàn toàn khoảng trống trong phần chêm, dẫn đến sự xáo trộn mạnh mẽ của các dòng chảy Hiện tượng này gây bất lợi cho hoạt động của cột chêm Giá trị của GL trong trạng thái này được gọi là GL*.
Hình 2: Giản đồ lụt của cột chêm
DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
Thiết bị thí nghiệm
Thiết bị thí nghiệm gồm có:
1) Cột thủy tinh, bên trong là các vòng sứ Raschig xếp chêm ngẫu nhiên.
2) Hệ thống cấp khí gồm:
Quạt thổi khí BK. Ống dẫn khí. Áp kế sai biệt chữ U.
Lưu lượng kế khí F có độ chia từ 0 đến 100%.
3) Hệ thống cấp nước gồm:
Thùng chứa nước bằng thép không rỉ N
Lưu lượng kế lỏng Fl có độ chia từ 0 đến 2,0.
Cột thủy tinh: Đường kính d = 0,09 m
Vật chêm xếp ngẫu nhiên, vòng Raschig đường kính 12,7 mm, bề mặt riêng a = 370 - 380 m 2 /m 3 , độ xốp = 0,586 Đường kính ống thép ở đáy cột D = 0,09 m
Hình 3: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm cột chêm
Các chi tiết trong sơ đồ thí nghiệm:
FK: Lưu lượng kế khí, V = 0,286 m3/phút g: Ống định mức chất lỏng ở đáy cột.
FL: Lưu lượng kế lỏng, GL = 5,805 lít/phút
BK: Quạt có công suất 1,0 Hp.
BL: Bơm có công suất 0,5 Hp
Phương pháp thí nghiệm
1) Khóa lại tất cả các van lỏng (từ 1 đến 4).
2) Mở van 5 và khóa van 6.
3) Bật công tắc quạt cho quạt chạy trong 5 phút để thổi hết ẩm trong cột Tắt quạt, nghỉ 5-10 phút.
4) Mở van 1 và 3 Sau đó bật công tắc bơm cho bơm chạy.
5) Chỉnh mức lỏng ở đáy cột ngang bằng với ống định mức g Tắt bơm và khóa van 3.
6) Đo độ giảm áp của cột khô: a Khóa tất cả các van lỏng lại Mở van 6 còn 5 vẫn đóng Cho quạt chạy rồi từ từ mở van 5 để chỉnh lưu lượng khí vào cột. b Ứng với mỗi giá trị lưu lượng khí đã chọn ta đọc Pck trên áp kế U theo mmH2O Đo xong tắt quạt, nghỉ 5-10 phút.
7) Đo độ giảm áp khi cột ướt: a Mở quạt và điều chỉnh lưu lượng khí qua cột. b 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. c 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 Pck giống như Pck trước đó Chú ý là tăng lượng khí đến điểm lụt thì thôi.
1) Trong quá trình đo độ giảm áp của cột ướt, sinh viên cần canh giữ mức lỏng ở đáy cột luụn ổn định ở ắ chiều cao đỏy bằng cỏch chỉnh van 2 Nếu cần, tăng cường van
4 để nước trong cột thoát về bình chứa (van 4 dùng để xả nhanh khi giảm lưu lượng khí).
2) Khi tắt máy phải tắt bơm lỏng BL trước, mở tối đa van 4 sau đó tắt quạt BK.
3) Nếu sơ suất để nước tràn vào ống dẫn khí thì mở van xả nước ở phía bảng.
4) Không cho quạt chạy quá 5 phút, chạy xong phải nghỉ 5- 10 phút cho quạt nguội.
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Bảng 2 Các trị số kết quả khi cột khô
P ck /Z, (N/m 2 )/m fck Re ck logG log(DP ck /Z) log(fck)
Bảng 3 Các trị số kết quả khi cột ướt
Recư fcư logG log (Pcư/Z ) logfcư
1 logfcư theo Rec tại L=0.2 Rec lo gf cư
Re cư f cư logG log (P cư /Z ) logf cư
(N/m 2 )/m Re cư f cư logG log (P cư /Z ) logf cư
(N/m 2 )/m Re cư f cư logG log (P cư /Z ) logf cư
(N/m 2 )/m Re cư f cư logG log
(N/m 2 )/m Re cư f cư logG log
(N/m 2 )/m Re cư f cư logG log
(N/m 2 )/m Re cư f cư logG log
(N/m 2 )/m Re cư f cư logG log
Giản đồ lụt của cột chêm logП2 lo gП 1
Bảng 5 Kết quả hệ thức thực nghiệm
Mối liên hệ Kết quả thực nghiệm
Trong nghiên cứu này, các phương trình ΔP/Z theo G% được xác định cho các cột ướt với lưu lượng khác nhau (GPM), bao gồm các giá trị từ 0,2 đến 1,8 GPM Cụ thể, ΔP/Z cho cột ướt L ở 0,2 GPM được mô tả bởi phương trình y = 0.2386x² - 3.0548x + 64.846, trong khi ở 1,0 GPM là y = 1.3867x² - 45.483x + 441.17 Đối với logFcư theo Rec, các phương trình cũng được đưa ra cho từng lưu lượng, ví dụ, ở 0,2 GPM là y = -2E-08x³ + 2E-05x² - 0.0065x + 1.1267 Thêm vào đó, σ theo L được tính toán cho các giá trị G khác nhau, từ G10 đến G90, với các phương trình tương ứng như y = 0.1548x + 0.003 cho G10 và y = 1.3706x - 0.1606 cho G90 Các kết quả này cung cấp cái nhìn sâu sắc về mối quan hệ giữa áp suất, lưu lượng và các biến số khác trong hệ thống.
BÀN LUẬN
1) Nhận xét kết quả thí nghiệm thô
Khi phân tích bảng số liệu, có thể thấy rằng sự gia tăng lưu lượng khí dẫn đến tăng độ giảm áp Đồng thời, khi lưu lượng lỏng tăng, độ giảm áp cũng tăng nhanh chóng và rõ rệt.
Mặc dù lưu lượng lỏng ban đầu là L=0; L=0.2; L=0.4, việc tăng lưu lượng khí lên mức tối đa vẫn không gây ra hiện tượng ngập lụt, do lượng lỏng vẫn còn chiếm tỷ lệ nhỏ.
Khi lưu lượng lỏng tăng lên L=0,6, hiện tượng ngập lụt dễ dàng xảy ra, với điểm ngập lụt đầu tiên ở L=0,6 và lưu lượng khí G đạt 90% Các giá trị ∆P thu được giảm dần khi lưu lượng lỏng tăng, và khi đạt L=2,0, chỉ còn 3 giá trị ∆P Sự gia tăng lưu lượng lỏng dẫn đến việc điểm ngập lụt xảy ra nhanh chóng hơn khi tăng lưu lượng khí, so với trường hợp lưu lượng không khí và lưu lượng lỏng thấp.
2) Ảnh hưởng của G lên độ giảm áp khi cột khô và khi cột ướt
Khi G tăng trong cột khô, độ giảm áp cũng tăng theo, tạo thành một đường cong trung bình Sự gia tăng G dẫn đến độ giảm áp cao hơn đáng kể, với đường cong trên đồ thị trở nên dốc hơn Độ giảm áp (DP) tỉ lệ thuận với bình phương của G (G2).
Khi G tăng trong cột ướt, độ giảm áp cũng tăng tương tự như ở cột khô Lưu lượng lỏng tăng cao khiến cột dễ đạt đến điểm lụt hơn, và độ giảm áp gia tăng nhanh chóng khi lưu lượng khí còn nhỏ.
3) Mục đích và cách sử dụng giản đồ f theo Re
- Giản đồ f theo Re là giản đồ biểu diễn mối liên hệ giữa hệ số ma sát với lưu lượng lỏng lưu chất
Khi lưu lượng lỏng tăng, hệ số ma sát cũng tăng theo Trong các điều kiện khảo sát của thí nghiệm, cột khô (L=0) cho thấy hệ số ma sát thấp nhất, trong khi cột có chiều dài L=2,0 đạt hệ số ma sát cao nhất.
Đường cong mối quan hệ giữa hệ số ma sát logfc và số Reynolds Re cho phép chúng ta suy ra giá trị của một biến khi biết giá trị của biến còn lại.
Mục đích của thí nghiệm là xây dựng đồ thị f-Re nhằm tính toán và tối ưu hóa chế độ vận hành, tập trung vào việc cân bằng ba yếu tố cơ bản: lưu lượng lỏng, lưu lượng khí và độ giảm áp.
4) Sự liên hệ giữa các đối tượng khảo sát có theo như dự đoán không? Nếu không giải thích lý do.
∆Pcư/Z và G được chia thành hai vùng rõ rệt: vùng dưới điểm gia trọng với DP tăng chậm và đều đặn, tạo thành một đường cong ít dốc Ngược lại, vùng trên điểm gia trọng có DP tăng nhanh và đột ngột, dẫn đến đường cong trên đồ thị rất dốc Nếu tiếp tục tăng lưu lượng lỏng và khí, hệ thống sẽ tiến đến điểm lụt của cột.
Kết quả thu được từ thí nghiệm có thể không giống như dự đoán do sai số trong quá trình thực hiện, xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau.
Lưu lượng dòng lỏng và dòng khí không ổn định do thiết bị bơm và quạt.
Sai số do thao tác trong làm thí nghiệm và khi đọc kết quả.
Cột nước duy trì ở đáy cột không đảm bảo yêu cầu làm cho nước xâm nhập vào ống đo độ chênh áp làm ảnh hưởng đến kết quả.
Ma sát giữa dòng khí tốc độ lớn và ống dẫn dẫn đến việc ống nóng lên, làm tăng thể tích khí và áp suất, đồng thời ảnh hưởng đến độ chênh áp.
