Hướng dẫn giải bài tập thủy lực vận chuyển chất lỏng

HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP THỦY LỰC VẬN CHUYỂN CHẤT LỎNG Bài 1. Một áp kế trên đường ống đẩy chỉ 3,8 at, chân không kế trên đường ống hút chỉ 210 torr. Khoảng cách giưa áp kế và chân không kế là 410 mm. Đường kính ống hút 350 mm, ống đẩy 300 mm. Lưu lượng nước trong ống 12 m3/phút. Xác định áp suất do bơm tạo ra. Biết áp suất khí quyển là 735,6 mmHg. ĐS: H = 41,5 m. Hướng dẫn: Áp dụng công thức : Trong đó : Áp suất trong ống đẩy pđ = 3,8 + 1 = 4,8 at Áp suất trong ống hút: ph = 735,6 – 210 = 525,6 mmHg = Thay số vào, có: Bài 2. Một bơm pittông có số vòng quay 150 vòng/phút dùng để bơm nước nóng ở 60oC từ bể chứa có áp khí quyển 750 mmHg. Biết tổng tổn thất các loại là 6,5 m và áp suất hơi bão hòa ở 60 oClà 2,02 m. Tính khoảng cách lý thuyết tối đa đặt bơm cho phép so với mặt nước của bể chứa. ĐS: H1 £ 1,67 m Hướng dẫn: Áp dụng công thức : Thay các số liệu đã biết vào, ta có: Chú ý : Giá trị chiều cao hút trên là tính theo lý thuyết. Trong thực tế, với số vòng quay n = 150 vòng/phút và nhiệt độ t = 60 oC thì chiều cao hút H1 = 0 (tra bảng). Khi đó cần đặt bơn thấp hơn mức nước trong bể. Bài 3. Dùng bơm pittông tác dụng kép để vận chuyển nước với năng suất 22.800 l/h. Số vòng quay 65 vòng/phút, đường kính pittông 125 mm, cán pittông 35 mm và bán kính trục khuỷu 136 mm. Xác định hiệu suất năng suất của bơm. ĐS: h = 0,913 Hướng dẫn: Hiệu suất năng suất tính theo công thức: Trong đó năng suất thực tế đã cho : Năng suất lý thuyết tính theo công thức : Thay vào, có : Bài 4. Bơm pittông tác dụng đơn có đường kính pittông 160 mm, khoảng chạy 200 mm được dùng để bơm chất lỏng có KLR 930 kg/m3, năng suất bơm 430 lit/phút. Chất lỏng từ bể chứa có áp suất khí quyển được bơm vào thiết bị chứa có áp suất dư là 3,2 at ở chiều cao 19,5 m. Tổn thất áp suất ở ống hút 1,7 m, ở ống đẩy 8,6 m. Xác định số vòng quay của bơm, công suất thực tế của động cơ. Biết: + Hiệu suất thủy lực htl = 0,80 + Hiệu suất năng suất hQ = 0,85 + Hiệu suất truyền động htr.đ = 0,95 + Hiệu suất động cơ hđc = 0,95 + Hệ số dự trữ b = 1,17 ĐS: n = 126 vòng/phút và Ntt = 6,82 kW Hướng dẫn: a. Áp dụng công thức: Qtt = η0Qlt → n b. Áp dụng công thức: Ntt = Bài 5. Cần vận chuyển dung dịch có KLR 1120 kg/m3 từ bể chứa có áp suất khí quyển vào thiết bị có áp suất dư o,4 at ở độ cao 10,8 m với năng suất 115 m3/h. Ống dẫn có đường kính 140 x 4,5 mm dài 140 m (kể cả chiều dài tương đương với các bộ phân gây trở lực cục bộ), hệ số ma sát của ống dẫn l = 0,03. Tính áp suất toàn phần bơm cần tạo ra ? ĐS: H = 23,83 m Hướng dẫn: Áp dụng công thức: (hw là thế năng riêng vận tốc, để tạo vận tốc chuyển động cho chất dung dịch) Bài 6. Một bơm tia dùng để vận chuyển chất lỏng có KLR 1020 kg/m3 với năng suất 7,8 m3/h lên độ cao 4 m. Thùng chứa nước đặt ở độ cao 22 m, lưu lượng đạt được 9,6 m3/h. Xác định hiệu suất của bơm tia ? ĐS: h = 18,4 % Hướng dẫn: Áp dụng công thức: Bài 7. Dùng bơm để vân chuyển a xit sunfuric có KLR 1163 kg/m3. Áp kế trên đường ống đẩy chỉ 1,8 KG/cm2, chân không kế trên đường ống hút chỉ 29 torr. Khoảng cách giữa hai điểm đặt áp kế và chân không kế là 0,5 m. Đường kính ống hút và ống đẩy bằng nhau. Tính áp suất toàn phần của bơm ? ĐS: 15,6 m Hướng dẫn: Áp dụng công thức: Bài 8. Chất lỏng có KLR 960 m3/kg được bơm vận chuyển từ bể chứa có áp suất thường đến thiết bị có áp suất dư 37 at. Chiều cao cần vận chuyển là 16 m. Tổng tổn thất qua trở lực trên ống hút và ống đẩy là 65,5 m. Xác định áp suất bơm tạo ra. ĐS: 467 m Hướng dẫn: Áp dụng công thức: Bài 9. Dùng bơm để vận chuyển dầu mazút có KLR tương đối 0,9 với năng suất 380 lít/phút. Áp suất toàn phần 30,8 m. Công suất của động cơ điện 2,5 KW. Tính hiệu suất của bơm. ĐS: h = 0,69 Hướng dẫn: Áp dụng công thức: Bài 10. Dùng bơm có năng suất 14 lít/s để bơm chất lỏng có KLR tương đối 1,16. Áp suất toàn phần 58 m. Hiệu suất của bơm 0,64, hiệu suất truyền động 0,97 và hiệu suất động cơ 0,95. Tính công suất của động cơ ? ĐS: 15,68 KW Hướng dẫn: Áp dụng công thức: Bài 11. Bơm píttông đặt ở vị trí có áp suất khí quyển 10 mH2O. Tổn thất áp suất ống hút 5,5 mH2O. Chiều cao hút 3,6 m. Ở nhiệt nào của nước bơm có thể làm việc được. Số liệu về sự phụ thuộc áp suất hơi bão hòa vào nhiệt độ cho ở bảng sau: Nhiệt độ, oC 5 10 20 30 40 50 60 70 80 ht, mH2O 0,09 0,12 0,24 0,43 0,75 1,25 2,02 3.17 4,82 ĐS: 43oC Hướng dẫn: Áp dụng công thức : Căn cứ số liệu cho ở bảng, dùng phương pháp nội suy để tìm nhiệt độ. Bài 12. Bơm vi sai dùng để vận chuyển chât lỏng có đường kính píttông lớn 340 mm, đường kính píttông nhỏ (cán píttông) 240 mm, khoảng chạy của pít tông 480 mm. Số vòng quay của động cơ 60 vòng/phút. Hiệu suất chung 0,85. Xác định năng suất của bơm, lượng chất lỏng chảy ở phía píttông lớn và nhỏ. ĐS: 2,22 m3/phút; 0,0184 m3/s; 0,0186 m3/s Hướng dẫn: Áp dụng công thức: Bài 13. Dùng bơm píttông tác dụng kép để vận chuyển chất lỏng đến đổ đầy bể chứa hình trụ có đường kính 3 m và cao 2,6 m. Thời gian bơm là 25,6 phút. Đường kính của píttông180 mm, cán píttông 50 mm, bán kính tay quay 145 mm, số vòng quay 55 vòng/phút. Xác định hiệu suất của bơm ? ĐS: 0,919 Hướng dẫn: Áp dụng công thức: Bài 14. Dùng bơm ly tâm có số vòng quay 1800 vòng/phút để vận chuyển nước ở 30 oC với năng suất 140 m3/s. Áp suất khí quyển là 745 torr. Tổn thất áp suất ở ống hút là 7,29 m. Tính chiều cao hút lý thuyết. ĐS: H1 Hướng dẫn: Áp dụng công thức : Dùng số liệu ở bảng của bài 11 để tra Bài 15. Dùng bơm tuye để vận chuyển dung dịch có KLR tương đối 1,06 từ bể chứa đặt ở mặt đất với năng suất 2,5 lit/s. Chiều cao cần bơm là 3,8 m. Nước được dùng cho bơm tuye có áp suất dư 1,9 at. Hiệu suất của bơm 0,15. Tính lượng nước tiêu thụ trong quá trình bơm. ĐS: 8,31 m3/h Hướng dẫn: Đã biết: Bài 16. Dùng không khí nén để vận chuyển axit sunfuric có khối lượng riêng tương đối 1,78 từ bể chứa lên cao 21m. Tính áp suất của khí nén. Đáp số: áp suất dư 3,738at Hướng dẫn: Áp suất dư của khí nén bằng áp suất của cột chất lỏng (axit sunfuric) có chiều cao 21m. Bài 17. Tính năng suất của bơm răng khía. Các số liệu cho: số vòng quay n = 650 vòng/phút; số răng khía 12; bề rộng bánh răng 33 mm, tiết diện phần rỗng 7,85 cm2; hiệu suất chung 0,7. Đáp số: 282,8 lít/phút Hướng dẫn: Áp dụng công thức: . TRong đó: η0 là hiệu suất chung f là tiết diện phần rỗng b là bề rộng bánh răng z là số răng khía n là số vòng quay Bài 18. Cần tính áp suất chân không lý thuyết mà bơm tia (tuye) tạo ra. Đầu ra của ống loa có áp suất khí quyển. Vận tốc tia nước tạo ra ở đây là 2,7 m/s; đường kính tại cửa hẹp là 23 mm và tại miệng ống loa là 50 mm. Đáp số: 0,8 at Hướng dẫn: Ứng dụng phương trình Becnuli: - Chọn mặt cắt: đi qua cửa hẹp và miệng ống loa - Chọn mặt chuẩn: qua trục ống loa - Viết phương trình Bécnuli:  VẬN CHUYỂN VÀ NÉN KHÍ Bài 1. Dùng một quạt để vận chuyển nitơ có KLR 1,2 kg/m3 từ buồng góp có áp suất dư 60 mmH2O đến buồng chứa có áp suất dư 74 mmH2O. Tính áp suất do quạt tạo ra. Biết tổn thất áp suất trong ống hút 19 mmH2O, trong ống đẩy 35 mmH2O, vận tốc chảy của nitơ trong ống đẩy 11,2 m/s. Đáp số: 75,26 N/m2 Hướng dẫn: Áp suất do quạt tạo ra: Bài 2. Trong ống hút của quạt ly tâm cố độ chân không 15,8 mmH2O. Một áp kế trên đường ống đẩy chỉ áp suất dư là 20,7 mmH2O. Lưu lượng kế đo được năng suất 3700 m3/h. Ống hút và ống đẩy có cùng đường kính. Quạt có số vòng quay 960 vòng/phút và công suất 0,77 kw. Xác định áp suất quạt đã tạo ra và hiệu suất của nó. Năng suất của quạt thay đổi như thế nào nếu số vòng quay đạt được 1150 vòng/phút và công suất mới là bao nhiêu ? Đáp số: 36,5 mmH2O; 0,48; 4432,3 m3/h và 1,324 kw. Hướng dẫn: Áp suất do quạt tạo ra: Hiệu suất của quạt: Khi số vòng quay thay đổi thì: Bài 3. Tính công lý thuyết của máy nén ở trạng thái hút để nén 1 m3 không khí từ áp suất 1 at lên: a. 1,1 at b. 5 at theo công thức nhiệt động ứng với trường hợp nén đoạn nhiệt và theo công thức của thủy động lực. Từ kết quả đó rút ra kết luận về việc sử dụng công thức để tính công phù hợp với nhu cầu năng lượng của quá trình nén khí khi tỷ lệ p2/p1 có chênh lệch khác nhau. Đáp số: Trường hợp a: tính theo công thức của thủy động lực Trường hợp b: tính theo công thức của nhiệt động. Hướng dẫn: Theo công thức nhiệt động: Theo công thức thủy động lực: Tính theo hai trường hợp a và b, so sánh rồi rút ra kết luận sử dụng công thức tính thích hợp khi quạt khí (hoặc thổi khí) và nén khí. Bài 4. Để tạo ra lượng không khí nén ở áp suất dư 4,5 at với lưu lượng 80 kg/h có thể dùng một máy nén pittông một bậc có đường kính xilanh 180 mm, khoảng chạy 200 mm và số vòng quay 240 vòng/phút được không ? Để máy nén làm việc được thì cần tăng số vòng quay lên bao nhiêu ? Biết vùng chết chiếm 5%, chỉ số đa biến m = 1,25, không khí có KLR là 1,2 kg/m3 được nén vào ở áp suất khí quyển, hệ số cung cấp l = 0,85l0 (l0 là hiệu suất thể tích). Đáp số: Máy nén không làm việc được, 301 vòng/phút. Hướng dẫn: Tính năng suất thực tế của máy nén: So sánh với năng suất theo yêu cầu, nếu máy nén không làm việc được thì tăng số vòng quay theo định luật tỷ lệ. Bài 5. Dùng máy nén pittông một cấp để nén khí mêtan. Máy nén này có khoảng hại chiếm 8,5 % thể tích. Khí được hút vào ở áp suất khí quyển và trong quá trình nén, khí ở trong khoảng hại dãn đoạn nhiệt. Tính áp suất cuối để máy nén có năng suất bằng 0. Biết chỉ số đoạn nhiệt của khí mêtan k = 1,31. Đáp số: 27,26 at Hướng dẫn: Tính p2 từ Bài 6. Không khí được nén đoạn nhiệt từ 1 at đến 9 at trong: a. Máy nén pittông một bậc b. Máy nén pittông hai bậc có làm lạnh trung gian. Nhiệt độ của không khí trước khi vào máy nén và sau khi làm lạnh trung gian vào bậc hai là 20oC. Khoảng hại chiếm 8 % thể tích nén. Cần tính nhiệt độ của khí sau khi nén, công lý thuyết và so sánh hiệu suất thể tích của hai loại máy nén trên. Hướng dẫn: a. Máy nén pittong một bậc - Nhiệt độ của khí sau khi nén: - Công lý thuyết theo quá trình nén đoạn nhiệt: - Hiệu suất thể tích: b. Máy nén pittông hai bậc có làm lạnh trung gian. Tỷ số nén trong một cấp: Tính tương tự trên, với Bài 7. Dùng máy nén để nén khí mêtan đến áp suất 55 at với năng suất 210 m3 (tiêu chuẩn). Khí được nén ở áp suất thường (1 at) và nhiệt độ 18oC. Cần xác định: a) Số bậc của máy nén và phân bố áp suất trong mỗi bậc nếu tỷ số nén ở mỗi bậc là 3,8 và bỏ qua tổn thất ở các bậc. b) Công suất của máy nén với hiệu suất 0,7 c) Lượng nước lạnh cần dùng để làm lạnh, nếu nước được đun nóng lên 10oC. Biết nhiệt dung riêng của mêta ở các bậc là như nhau (bỏ qua ảnh hưởng của áp suất) và bằng 0,531 kcal/kgoK, nhiệt dung riêng của nước là 1kcal/kgoK. Đáp số: 3 bậc; 44,33kw và 2710,4 kg/h Hướng dẫn: Xem tài liệu: Nguyễn Bin, “Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm” tập 1, NXB KH và KT; trang 247, 248 và 249. Bài 8. Dùng máy nén pittong để tạo độ chân không tại các thời điểm trong thiết bị có: a. Áp suất 0,9 at b. Áp suất 0,3 at c. Áp suất 0,1 at Biết quá trình nén là quá trình đa biến với chỉ số đa biến m = 1,25; áp suất ra khỏi máy nén là p2 = 1 at. Tính công lý thuyết cho các trường hợp trên. Đáp số: 9310,8 j/m3; 40025,5 j/m3 và 28689 j/m3 Hướng dẫn: Xem tài liệu: Nguyễn Bin, “Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm” tập 1, NXB KH và KT; trang 249 và 250 Bài 9. Dùng quạt để vận chuyển không khí ở áp suất thường với năng suất 12500 m3/h. Tính lượng không khí được vận chuyển vào mùa đông có nhiệt độ - 15oC và vào mùa hè có nhiệt độ 30oC. Đáp số: 17090 kg và 14600 kg Bài 10. Số liệu thí nghiệm đo từ quạt ly tâm với số vòng quay 1440 vòng/phút là: Q, m3/h 100 350 700 1000 1600 2000 ∆p, mmH2O 45,8 43,2 44 43,5 39,5 32,2 Tính năng suất quạt ở số vòng quay 1440 vòng/phút nếu nó được mắc vào hệ thống (mạng ống) với năng suất 1350 m3/h, khi đó tổn thất áp suất gồm: - Do thế năng vận tốc ∆pw = 8,7 mmH2O - Do ma sát và cục bộ ∆pm = 29,4 mmH2O - Do chênh lệch áp suất giữa ống hút và ống đẩy ∆pp = 13 mmH2O Hướng dẫn: - Vẽ đặc tuyến của quạt theo số liệu thí nghiệm và đặc tuyến của mạng ống để xác định điểm làm việc, từ đó tìm năng suất của quạt trên đồ thị - Đường đặc tuyến của mạng ống ( ∆p – Q) là đường parabol ∆p = kQ2 + A. Trong đó A = ∆pp = 13 mmH2O; kQ2 = ∆pw +∆pm. Cho một số giá trị của Q: 1350 m3/h; 1350/1,5; 1350/2; 1350/2,5. Tính kQ2 qua các giá trị với chú ý là trở lực tỷ lệ bậc hai với năng suất. - Kết quả: với quạt có đặc tuyến trên thì thì chỉ làm việc được với năng suất 1170 m3/h PHÂN RIÊNG HỆ KHÔNG ĐỒNG NHẤT Bài 1. Tính chiều cao giữa các ngăn của một buồng lắng để dòng khí có mang xỉ với đường kính của hạt bụi xỉ là 8 μm thổi qua với lưu lượng 0,6m3/s tiêu chuẩn. Buồng lắng có chiều dài 4,1m, rộng 2,8m và cao 4,2m. Nhiệt độ trung bình của dòng khí khi qua buồng lắng 427oC. Độ nhớt của dòng khí ở nhiệt độ này là 0,034.10-3 kg/ms, khối lượng riêng của bụi xỉ 4000 kg/m3. Biết vận tốc lắng lý thuyết của hạt bụi xỉ tuân theo phương trình Stốc và vận tốc lắng thực tế bằng 50% vận tốc lắng lý thuyết. Bỏ qua trở lực của dòng khi đi qua các ngăn. Hãy kiểm tra tính hợp lý khi sử dụng công thức tính vận tốc lắng lý thuyết. Đáp số: 0,066m Hướng dẫn: Chiều cao giữa các ngăn h = wtt x τ (bằng vận tốc lắng thực tế nhân với thời gian lưu của dòng). - Vận tốc lắng lý thuyết tính theo Stoc: - Thời gian lưu bằng chiều dài buồng lắng chia cho vận tốc trung bình của dòng - Vận tốc trung bình của dòng bằng lưu lượng ở điều kiện làm việc chia cho tiết diện ngang của buồng lắng. - Sử dụng công thức tính vận tốc lắng lý thuyết hợp lý khi Reh≤2. Bài 2. Xác định đường kính bể lắng làm việc liên tục để lắng bụi phấn trong nước. Năng suất bể lắng 80 tấn/h tính theo lượng nước có trong huyền phù chứa 8% CaCO3. Đường kính bụi bé nhất được lắng 35 μm, độ nhớt của huyền phù là 1,14.10-3 kg/ms, độ ẩm của bã 70% và khối lượng riêng bụi phấn 2710 kg/m3. Biết vận tốc lắng lý thuyết của hạt bụi phấn tuân theo phương trình Stốc và vận tốc lắng thực tế bằng 50% vận tốc lắng lý thuyết. Hãy kiểm tra tính hợp lý khi sử dụng công thức tính vận tốc lắng lý thuyết. Hướng dẫn: Tính đường kính bể lắng theo phương trình: , m2 (F1 là diện tích lắng) Trong đó: V0 là lượng nước trong có trong huyền phù, m3/h X0 và X2 là nồng độ bã trước và sau lắng Wtt là vận tốc lắng thực tế, m/s Bài 3. Tính thời gian lọc với áp suất không đổi để đạt được 10 lít nước lọc tính theo 1 m2 bề mặt lọc. Kết quả thực nghiệm cho biết, theo 1 m2 bề mặt lọc đạt được 1 lít mất 2,25 phút và 3 lít mất 14,5 phút. Đáp số: 140 phút Hướng dẫn: Phương trình lọc với áp suất không đổi là: . Trong đó Vtđ và k là các hằng số lọc. Giải hệ phương trình sau để tính các hằng số lọc Sau đó thay vào phương trình lọc để tính thời gian lọc theo yêu cầu. Bài 4. Dùng máy lọc khung bản để lọc huyền phù đạt được lượng nnước lọc 6 m3 trong 3 giờ. Tiến hành thí nghiệm ở cùng áp suất và cùng lớp bã xác định được các hằng số lọc tính trên 1 m2 theo chu kỳ lọc 3 giờ là: k = 20,7.10-4 m2/h, Vtđ = 0,145.10-2 m3/m2. Xác định bề mặt lọc cần thiết. Đáp số: 77,5 m2 Hướng dẫn: Bề mặt lọc cần thiết (F, m2)bằng thể tích nước lọc theo yêu cầu (6m3) chia cho năng suất lọc (m3/m2) được tính dựa trên các hằng số lọc được xác định bằng thực nghiệm (k và Vtđ). Tính năng suất lọc (V, m3/m2) dựa vào phương trình lọc với áp suất không đổi: Ghi chú: Một số đáp số đã cho có thể chưa đúng