chương 1 ta nhận thấy: - Trong các hệ ñiều khiển quá trình, lưu lượng ñóng vai trò có thể là ñại lượng ñiều khiển hoặc là biến ñiều khiển. - Vai trò của ñiều khiển lưu lượng trong thực tế hay dùng ñó chính là van ñiều khiển - Van ñiều khiển ñược ứng dụng nhiều trong công nghiệp, nhất là trong các bài toán ñiều khiển mức, nồng ñộ, nhiệt ñộ và áp suất… 15SThị Học viên: Nghiêm ha bi Trung Hưng tm Hc liu – i hc Thi Nguyn http://www.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -16- Chương 2. VẤN ðỀ CƠ BẢN CỦA ðIỀU CHỈNH LƯU LƯỢNG 2. Khái quát chung Trong mạch vòng ñiều khiển lưu lượng thường bao gồm: các ống dẫn môi chất (dung dịch hoặc khí), thiết bị ño lưu lượng, cơ cấu chấp hành là các loại van, bơm, quạt hoặc tấm chắn có ñiều chỉnh.
Dưới ñây là một số phương pháp ñiều khiển lưu lượng dùng trong sản xuất: FC FC FC BT M TF TF Hình Hình2.1a:Cơ a: Cơ cấu cấuchấp chấphành hànhlàlàmáy máybơm bơm Hình 2.1b: Cơ cấu chấp hành là van rẽ nhánh FC TF Hình 2.1c: ðiều chỉnh lưu lượng thông qua van ñiều khiển loại tấm ngăn Hình 2. Một số cấu trúc mạch vòng ñiều khiển lưu lượng + Hình 2.1a: Cơ cấu chấp hành là máy bơm, ñiều chỉnh lưu lượng thông qua ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ ñược thực hiện bằng biến tần.1b: Cơ cấu chấp hành là van rẽ nhánh ñiều khiển lưu lượng thông qua ñiều khiển dòng ñược thực hiện bằng mở van rẽ nhánh.1c: ñiều khiển lưu lượng thông qua van ñiều khiển loại tấm ngăn có ñiều chỉnh. 16SThị Học viên: Nghiêm ha bi Trung Hưng tm Hc liu – i hc Thi Nguyn http://www.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -17- 2. Cơ học chất lỏng Ta có thể mô tả dòng chảy của một chất lỏng nếu biết chuyển ñộng của từng hạt nguyên tố của chất lỏng.
Tuy nhiên, vì số hạt quá lớn, nên ta không thể tiến hành cách nghiên cứu như vậy ñược. Việc nghiên cứu dòng chảy có thể ñược giới hạn ở chỗ chỉ cần biết chuyển ñộng tập thể của một nhóm hạt nguyên tố cấu thành cái mà ta gọi là một hạt chất lỏng. * Tĩnh học chất lỏng: Trong nghiên cứu về truyền nhiệt ñối lưu chúng ta chủ yếu quan tâm tới hiệu ứng của chất lỏng ở trạng thái chuyển ñộng. Tuy nhiên, chúng ta cũng phải phân tích tĩnh học chất lỏng (chất lỏng ở trạng thái nghỉ hoặc chuyển ñộng với vận tốc không ñổi) ñể hiểu các tình huống dòng chảy.
* ðịnh luật Pascal Áp suất tại một ñiểm trong chất lưu ở trạng thái tĩnh hoặc chuyển ñộng ñều bằng nhau ở tất cả các hướng. ðịnh luật Pascal cũng ñúng cho chất lỏng tăng tốc không ma sát. * Thủy tĩnh học: Hiệu áp suất, p2-p1, giữa hai ñiểm trong chất lỏng ở trạng thái tĩnh hoặc chuyển ñộng với vận tốc không ñổi tỉ lệ với sự khác nhau về chiều cao giữa hai ñiểm, y2-y1, mật ñộ chất lỏng ρ, và gia tốc cục bộ của lực hấp dẫn g. ρg ρ 2 − ρ1 = − ( y2 − y1 ) gc (2-1) Nếu ñộ cao y2 ñược lấy là ñiểm quy chiếu với áp suất bằng không, (2-1) ñược ñơn giản hóa thành: p =γh (2-2) ρg Trong ñó γ= g (2-2) ñược gọi là phương trình cân bằng tĩnh.
17SThị Học viên: Nghiêm ha bi Trung Hưng tm Hc liu – i hc Thi Nguyn http://www.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -18- Thông thường sẽ thuận tiện hơn khi sử dụng áp suất gauge, áp suất trên áp suất của khí quyển, ρ-ρatm, do rất nhiều thiết bị ño áp suất chỉ ra áp suất tương ứng với xung quanh.2 chỉ ra mối quan hệ giữa áp suất tuyệt ñối, áp suất gauge và áp suất chân không. Mối quan hệ giữa áp suất tuyệt ñối, áp suất gauge và áp suất chân không * ðộng học chất lỏng: Tương tự như các dòng nhiệt của các chương trước là các dạng khí ñộng học của chất lỏng. Hình 2-3 chỉ ra một dòng khí ñộng học là một dòng ảo, lấy tại một thời ñiểm trong trường dòng, sao cho vận tốc chất lỏng tại mọi ñiểm của dòng tiếp tuyến với nó. Do sự dịch chuyển chỉ xảy ra chỉ theo hướng của vector vận tốc, không có khối lượng ñi qua dòng khí ñộng học.
Dòng chảy tầng 18SThị Học viên: Nghiêm ha bi Trung Hưng tm Hc liu – i hc Thi Nguyn http://www.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -19- Một họ các dòng tạo thành một hình trụ của mặt phẳng cắt vi phân là một sợi dòng. Một ống dòng là mặt phẳng hữu hạn, ñược tạo bởi số lượng vô hạn các sợi dòng, dọc theo ñó không có dòng chảy. Khái niệm của một ống dòng ñơn giản việc phân tích dòng chảy chất lỏng do chất lỏng ñi vào ống dòng phải rời ñi, giả thiết không tạo ra hoặc phá hủy của khối bên trong. Bằng cách chú ý rằng các thành phần vận tốc theo các hướng x và y là: dx dy u= v= dt dt (2-3) Chúng ta có thể lấy các phương trình vi phân của một dòng bằng cách triệt tiêu dt, cho: udy = vdx (2-4) Tương tự, vdz = wdy (2-5) wdx = udz (2-6) Nếu, tại một thời ñiểm xác ñịnh, u, v và w là các hàm ñã biết của vị trí, bất kỳ hai phương trình nào từ (2-4) ñến (2-6) có thể tổng hợp ñể cho phương trình của dòng.
* Chất dẫn xuất quan trọng: Khi tập trung chú ý vào một vùng xác ñịnh trong không gian không quan tâm ñến việc xác ñịnh các hạt chất lỏng bên trong nó tại một thời gian ñã cho – ñược biết là giải pháp Eulerian, tương phản với phương pháp Lagrangian tập trung vào chuyển ñộng của các hạt ñộc lập- trường vận tốc ñược cho trong hệ tạo ñộ ðề car bởi: V = iu + jv + kw (2-7) u = u ( x, y , z , t ) Trong ñó các thành phần v = vận v( x,tốc y , zlà , t )các hàm của không gian và thời gian, cụ thể. w = w( x, y , z , t ) (2-8) Sử dụng quy tắc dây chuyền ñối với vi phân từng phần, tốc ñộ thay ñổi của vận tốc V ñược cho bởi dV ∂V dx ∂V dy ∂V dz ∂V a= = + + + dt dx dt ∂y dt ∂y dt dt (2-9) 19SThị Học viên: Nghiêm ha bi Trung Hưng tm Hc liu – i hc Thi Nguyn http://www.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -20- Do ñó, ñối với một hạt chuyển ñộng, u=dx/dt, v=dy/dt và w=dz/dt, (2-9) có thể viết lại thành: dV ∂V ∂V ∂V ∂V a= = (u +v +w )+ dt dx ∂y ∂y dt (2-10) Phương trình ñược gọi là ñạo hàm chất lỏng, ñạo hàm toàn phần hay ñạo hàm thực chất, ký hiệu bởi DV/Dt. Ảnh hưởng của thời gian lên phản ứng của hạt ñược cho bởi gia tốc ñịa phương ∂V / ∂t ; sự phụ thuộc không gian ñược cho bởi gia tốc ñối lưu. * Các loại chuyển ñộng: Khi gia tốc cục bộ bằng không, ∂V / ∂t = 0 chuyển ñộng là ổn ñịnh.
Thậm chí tốc ñộ có thể thay ñổi tương ứng với không gian, nó không thay ñổi tương ứng với thời gian. Streamline ñược cố ñịnh trong dòng chảy ổn ñịnh. Một dòng chảy phụ thuộc thời gian ∂V / ∂t ≠ 0 là không ổn ñịnh. Dòng chảy ñều xảy ra khi gia tốc ñối lưu bằng không.
Vector vận tốc là xác ñịnh tại mọi ñiểm trong trường dòng chảy. Dòng chảy có thể không ổn ñịnh nhưng tốc ñộ phải thay ñổi xác ñịnh tại mọi ñiểm. Streamline là thẳng. Một ví dụ là dòng chảy dễ cháy không ma sát qua ống chảy thẳng dài, dòng chảy thay ñổi phụ thuộc vào khoảng cách.
Một chất dễ cháy không ma sát sẽ chảy không ñồng ñều trong chỗ gấp khúc của ống (dòng chảy rối). Trong dòng chảy tầng, các thành tố hay thay ñổi di chuyển rất trôi chảy thành ñường song song với nhau. Một dòng chảy có màu ñược ñưa vào các dòng chảy tầng sẽ di chuyển trong một dòng chảy nhỏ. Gia tốc thấp trong các kênh phẳng có thể sản sinh ra dòng chảy tầng.
Tuy nhiên, ở gia tốc cao, dòng chảy thay ñổi bất thường, ñược miêu tả bởi sự di chuyển ngẫu nhiên của các thành tố hay thay ñổi xuất hiện. Màu sắc ñược ñưa vào dòng chảy sẽ phá vỡ và khuếch tán qua trường chảy. Dòng chảy bất thường - dòng chảy rối luôn không ổn ñịnh trong chiều tuyệt ñối. Tuy nhiên, chúng ta thi thoảng nghĩ về dòng chảy bất thường, ñược minh hoạ trên hình 2- 5 cũng chỉ ra dòng chảy tầng không ổn ñịnh.
Trong khi tìm ra sự khác nhau giữa dòng chảy tầng và dòng chảy rối vào năm 1883, Orborne Reynolds chú ý ñến loại dòng chảy phụ thuộc vào tham số vô hướng VD/v, nơi mà V là gia tốc hay thay ñổi 20SThị Học viên: Nghiêm ha bi Trung Hưng tm Hc liu – i hc Thi Nguyn http://www.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -21- trong ống của ñường kính D và v = µ m là nhớt ñộng học của những thay ñổi. Nói ρ chung, số Reynold ñược xác ñịnh như sau: Vl (2-11) Re = v Trong ñó l là chiều dài ñặc tính. Trong dòng chảy của ống, sự di chuyển thường bất thường khi Re >2000. Trong dòng chảy qua vật bằng phẳng, khi dộ dài của nó ñược coi như chièu dài ñặc tính, hình thức chuyển tiếp từ dòng chảy phiến sang dòng chảy thay dổi bất thường thường xảy ra từ 300.
(a) Dòng chảy tầng; ( b) Dòng chảy rối Vận tốc trong dòng chảy bất thường bao gồm giá trị bình quân V và phần dao ñộng V: V =V +V′ (2-12) Mất 1 khoảng thời gian nghiên cứu trong quãng thời gian dài, ta có: 1 1 (2-13) V = lim ∫ Vdt ∆t→ ∞ ∆ t t 0 ví dụ, sự thay ñổi bất thường xoá bỏ số hạng cao. Bất kỳ ñặc tính chất lưu nào, tạo ra tính dính µ có thể tương tự giống thời gian bình quân: µ = µ + µ′ (2-14) Phương trình ñơn giản cho sự nhấn mạnh trong dòng chảy tầng: Dòng chảy tầng: du (2-15) τ = µ1 dy không hợp lệ trong dòng thay ñổi bất thường. Mối liên hệ ñược hoàn tất bởi tính dính xoáy €, là 1 chức năng của sự di chuyển chất lưu cũng như tỷ trọng của nó: 21SThị Học viên: Nghiêm ha bi Trung Hưng tm Hc liu – i hc Thi Nguyn http://www.vn Luận văn Thạc Sỹ Kỹ Thuật -22- Thay ñổi bất thường: ρ du (2-16) τ = µ 1 + ∈ gc dy Tính dính xoáy không phải là ñặc tính chất lưu như tính dính tuyệt ñối M. Một chất lưu hoàn hảo có tính dính bằng 0 hoặc không ñáng kể.
Chất lưu dính là 1 chất lưu thật sự.