Thí nghiệm quá trình thiết bị chương 11

Khảo sát thực nghiệm hệ số cấp nhiệt ở dòng lưu chất không có biến đổi pha và dòng lưu chất có biến đổi pha với chế độ ngưng tụ chảy màng trong hai trường hợp: đối lưu tự nhiên và đối lư

TRÍCH YẾU :

Mục đích thí nghiệm:

Giúp sinh viên củng cố kiến thức về sự truyền nhiệt đối lưu

Giúp sinh viên làm quen với cấu tạo, nguyên lý hoạt động của thiết bị và phương pháp thí nghiệm về sự trao đổi nhiệt đối lưu

Khảo sát thực nghiệm hệ số cấp nhiệt ở dòng lưu chất không có biến đổi pha và dòng lưu chất có biến đổi pha với chế độ ngưng tụ chảy màng trong hai trường hợp: đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức

So sánh hệ số cấp nhiệt và hệ số truyền nhiệt lý thuyết với hệ số cấp nhiệt và truyền nhiệt thực nghiệm

Thiết lập cân bằng nhiệt lượng trong quá trình trao đổi nhiệt đối lưu

Phương pháp thí nghiệm:

Chuẩn bị dụng cụ và điều kiện thí nghiệm → chuẩn bị cấp nước lạnh →

chuẩn bị cấp hơi nước → khi quá trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định thì tiến hành đo đồng loạt các đại lượng → ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác (tiến hành 5 thí nghiệm ứng với 5 vị trí tấm chảy tràn) → kết thúc thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm:

10 Thời gian đo lượng nước ngưng (s) 60 60 60 60 60

11 Nhiệt độ nước ngưng t’C (oC) 54,5 38,5 42,5 52 58,5

12 Lượng nước chảy trong ống (ml) 362 562 765 850 1200

13 Thời gian đo nước chảy trong ống (s) 60 60 60 60 60

Các đại lượng đo

Vị trí tấm chảy tràn (inch)

thời gian đo lưu lượng nước

ngưng (s)

lượng nước chảy trong

ống(ml)

LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM :

Sự truyền nhiệt giữa hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài ống đứng với dòng nước lạnh chảy trong ống là một dạng truyền nhiệt được đặc trưng bởi 2 quá trình: trao đổi nhiệt đối lưu trong trường hợp có biến đổi pha (hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ống đứng) và trao đổi nhiệt đối lưu ở dòng lưu chất không có biến đổi pha (dòng nước lạnh chảy trong ống) Bỏ qua nhiệt trở thành ống

Sự ngưng tụ hơi nước ở thiết bị thí nghiệm được

xem như sự ngưng tụ với màng chảy xếp lớp

(chảy màng)

Dòng nước lạnh chảy trong ống đứng (gọi tắt là

dòng lạnh) được thực hiện với 2 chế độ chảy:

chuyển động tự nhiên và chuyển động cưỡng

d

Ftr, Fng : diện tích bề mặt bên trong và bên ngoài ống đứng có chiều cao H,

m2

ts : nhiệt độ hơi nước bão hòa, oC

tN: nhiệt độ trung bình của nước trong ống, oC

tVtr, tVng:nhiệt độ trung bình của vách trong và vách ngoài ống, oC

αC = αng:hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ (phía lưu chất bên ngoài), W/m2.K

αN = αtr:hệ số cấp nhiệt phía nước lạnh (phía lưu chất trong ống), W/m 2.Kq: mật độ dòng nhiệt truyền qua vách, W/m2

Phương trình cân bằng nhiệt:

Nhiệt lượng dòng nước lạnh nhận được:

• t1, t3 : nhiệt độ đầu và cuối của dòng nước chảy trong ống, oC

• tS : nhiệt độ hơi nước bão hòa ngưng tụ ở áp suất thí nghiệm, oC

• t C : nhiệt độ trung bình của nước ngưng tụ, oC

2

't t

Q = Q’1 = Q’2

Trong đó:

Q’1 = qtrFtr = αtr(tVtr - t N)Ftr, W

tr N Vtr

1 tr

F ) t t(

' Q

−

= α

Q’2 = qngFng = αng(tS - tVng)Fng, W

ng Vng S

2

' Q

−

= α

Theo lý thuyết:

Q’1 = Q’2 = Q1 = Q2 = QTừ 2 công thức (6) và (7) có thể xác định hệ số cấp nhiệt thực nghiêm phía dòng lạnh trong ống (αtr) và hệ số cấp nhiệt phía hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài ống (αng).

Trong trường hợp nhiệt trở của vách truyền nhiệt không đáng kể (ống đồng có hệ số dẫn nhiệt lớn: λV = 1272 W/mK và thành ống mỏng), ta có:

2

t t t

∆

• Q : nhiệt lượng tính theo công thức (1)

) t t(

) t t(

ln

) t t ( ) t t(

log

t

1 S

3 S

1 S 3 S

Dòng lưu chất đối lưu tự nhiên hay cưỡng bức có thể phân biệt dựa theo giá trị của tỷ số Re 2 , 5

d

G 4 wd

Với:

• w : vận tốc dòng, m/s

• ν : độ nhớt động học của lưu chất, m2/s

• ρ : khối lượng riêng của lưu chất, kg/m3

Trường hợp đối lưu tự nhiên:

Hệ số cấp nhiệt αN (hay αtr) ở trường hợp đối lưu tự nhiên được xác định từ chuẩn số Nusselt (Nu):

tr

tr

Pr Gr

1 d

H 16 exp 1 H

d 32

Pr Gr

Trong đó:

) bảng tra

( a Pr

t t

t

t gd Gr

d d

Nu

N Vtr 2

3 tr

tr N tr

=

λ

α

= λ

* Ở chế độ chảy màng (Re < 2300) với Re.Pr.dHtr >10 :

14 , 0

Vtr

3 / 1 H

dtr Pr Re 86 , 1

µVtr được xác định ở nhiệt độ trung bình của vách trong tVtr.

* Ở chế độ chuyển tiếp (2300 < Re < 10000) với 0,7 < Pr < 120 và dHtr > 50 :

Nu = 0,023Re0,8Pr1/3 (14)

Nếu bỏ qua ảnh hưởng của lực nâng với dòng chảy ta có thể áp dụng công thức của Mikhaev để tính Nu*:

(Re) f Pr

Pr Pr

Nu

Vtr

43 , 0

Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ:

Hệ số cấp nhiệt trong trường hợp ngưng tụ hơi tinh khiết bão hòa được xác định tùy thuộc vào chế độ chảy của dòng lỏng ngưng tụ

Các trường hợp chất ngưng tụ chảy màng, hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi tinh khiết trên bề mặt ống đứng được xác định theo công thức lý thuyết của Nusselt (xác lập bằng phương pháp giải tích):

25 , 0

m C

3 C

2 C S

gr 943 , 0

λ ρ

t

S Vng

Riêng rS được xác định ở nhiệt độ tS đối với hơi nước bão hòa

Công thức (16) có thể biến đổi về phương trình tiêu chuẩn đồng dạng sau:

25 , 0

m

Vng S PC S

PC C C

C 2

C

3 C

C C

) t t(

C

r

C

.

gH 943 , 0

H Nu

λ

ν ν

= λ α

=

= 0 , 25

m o 25

, 0 m C

Ga ( 943 ,

Ở đây:

K = C t(r t )

Vng S PC

S

− là chuẩn số đồng dạng của Kutalelagze

Trường hợp nước ngưng tụ chảy màng không phụ thuộc vào vận tốc (tức không phụ thuộc vào Re), hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ chảy màng có thể xác định từ chuẩn số Nu theo công thức thực nghiệm sau đây:

25 , 0

Vng

S 28 , 0 S o

25 , 0

Vng

S 28 , 0 S

µ

Khác với công thức (16) ở đây các thông số vật lý được xác định ở nhiệt độ

tS Riêng PrVng xác định ở nhiệt độ trung bình của vách ngoài t t2 2t4

Vng

+

DỤNG CỤ – THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM :

Dụng cụ – thiết bị: (xem hình 2.2)

Phương pháp thí nghiệm:

Chuẩn bị:

a) Chuẩn bị dụng cụ và điều kiện thí nghiệm :

Chuẩn bị ống nghiệm đo nước ngưng tụ

Chuẩn bị ống nghiệm đo lượng nước chảy trong ống

Chuẩn bị nhiệt kế đo nhiệt độ nước ngưng tụ chảy ra

Chuẩn bị một đồng hồ bấm giây để đo thời gian nước chảy trong ống và thời gian nước ngưng tụ chảy ra

Kiểm tra nguồn điện, nguồn nước và các dụng cụ đo trên thiết bị thí nghiệm

Chuẩn bị cấp nước lạnh :

Khóa các van V1, V4, S1 và mở các van V2 và V5

Điều chỉnh tấm chảy tràn ở vị trí mong muốn theo yêu cầu của bài thí

nghiệm

Mở van V1 và điều chỉnh để giữ mực nước ổn định ở bình chảy tràn

Chuẩn bị cấp hơi nước :

Khóa các van: S1, S3, S5, V3, V6, V8

Mở van S4 xả hết nước ngưng dư rồi khóa lại

Mở van V7

Cho nước vào bình chứa đến ¾ chiều cao bình và mở nắp bình Mở van V8 cấp nước cho nồi đun và khóa van V8 khi mực nước trong nồi đun đạt 2/3 chiều cao ống chỉ mức

Đóng van V7

Cấp điện cho bộ điện trở đun nước R1 cho đến khi áp suất trong nồi đun đạt khoảng 15PSI.

Cấp điện cho bộ điện trở R2 để gia nhiệt cho hơi nước (nếu có R2)

Tiến hành thí nghiệm:

Điều chỉnh dòng nước lạnh chảy trong ống theo yêu cầu của bài thí nghiệm.Khi áp suất trong nồi đun đạt 15PSI, mở hoàn toàn van V7 và mở từ từ van V6và điều chỉnh để áp suất hơi đi vào buồng thí nghiệm khoảng 10PSI Van V6 phải mở để đủ hơi ngưng tụ trên bề mặt ống truyền nhiệt và áp suất trong buồng thí nghiệm xấp xỉ bằng với áp suất khí quyển

Khi quá trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định, tiến hành đo đồng loạt các đại lượng:

Lượng nước ngưng tụ trong một khoảng thời gian nhất định và nhiệt độ của nước ngưng tụ

Lượng nước chảy trong ống trong ống trong ống trong một khoảng thời gian nhất định

Nhiệt độ t1, t2, t3, t4 (đồng hồ hiện số)

Aùp suất trong nồi hơi (áp kế P2)

Nhiệt độ của hơi trong nồi hơi (đồng hồ đo nhiệt độ T2)

Aùp suất hơi đo bằng đồng hồ đo áp suất P3

Nhiệt độ hơi đi vào buồng ngưng tụ đo bằng đồng hồ đo nhiệt độ T3

* Trong khi đo thường xuyên quan sát mức nước trong bình chảy tràn và mứcnước trong nồi hơi

Ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác:

Sau khi đo xong, ngắt điện cấp cbo nồi hơi, đóng các van V6, V7, mở van xả hơi S5 Nạp nước vào bình chứa Mở van V8 cấp nước cho nồi hơi rồi khóa van V8 lại, khóa van xả hơi S5

Khóa van V1, mở vòi xả S4 để xả hết nước nóng rồi khóa vòi S4 lại

Chuyển vị trí tấm chảy tràn theo yêu cầu của bài thí nghiệm tiếp theo và lặp lại quy trình thao tác như ở thí nghiệm trước

Các thí nghiệm được tiến hành với các vị trí ống chảy tràn như sau:

Vị trí “0”: đối lưu tự nhiên

Vị trí “½, ¾,1, 1 ½”: đối lưu cưỡng bức

Kết thúc thí nghiệm:

Trình tự thao tác khi kết thúc thí nghiệm:

Ngắt cầu dao điện cho nồi hơi

Ngắt điện cho đồng hồ đo nhiệt độ hiện số.

Khóa van nguồn nước

Khóa và mở các van đúng như hiện trạng trước khi làm thí nghiệm

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM :

tổn thất nhiệt

Vị trí tấm chảy tràn (inch)

Q1 (W) 797,3563 466,2824 476,2901 411,7578 498,5223Q2 (W) 718,7954 540,5305 633,5432 683,9414 981,4972

∆Q (W) -78,5609 74,2481 157,2531 272,1835 482,9749

Đồ thị 1: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI QUAN HỆ CỦA NuN THEO Re

N

Đồ thị 5: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH GIỮA KTN VÀ KTT

Câu 1: Giải thích tại sao khi thí nghiệm với tấm chảy tràn ở mức “0” mà

nước trong ống vẫn chảy ra

Mức “0, ¼, ½, ¾, 1, 1 ¼,1 ½” là khoảng cách tính theo inch của mực nước trong bình chảy tràn so với vị trí cao nhất trong ống dẫn nước lạnh trong bình trao đổi nhiệt

Trước khi thí nghiệm, nếu tấm chảy tràn để ở vị trí “0” và cấp đủ nước cho bình chảy tràn thì nước không chảy trong ống đứng và thoát ra ngoài vì lúc đó mực nước trong bình chảy tràn bằng với vị trí cao nhất trong ống ⇒∆P = 0

⇒ nước không thể chảy do không có sự chênh lệch về áp suất

Khi tiến hành thí nghiêm với tấm chảy tràn ở vị trí “0” thì nước trong ống đứng có chảy ra vì khi đó ta dùng hơi nước để cấp nhiệt làm cho dòng lạnh bịnóng lên khi đi vào buồng thí nghiệm→ có sự đối lưu nhiệt tự nhiên Đó chính là hiện tượng chuyển động của lưu chất khi có sự chênh lệch về mật độ(khối lượng riêng) giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau

Câu 2: Nhận xét về mức độ tổn thất nhiệt.

Mức độ tổn thất nhiệt trong bài thí nghiệm này là:

Mức độ tổn thất

Khi tấm chảy tràn ở vị trí “0” (xảy ra hiện tượng đối lưu tự nhiên) thì ∆Q = -9,8527% < 0 Đây là một giá trị không hợp lý vì nhiệt lượng tỏa ra khi hơi nước ngưng tụ không thể nhỏ hơn nhiệt lượng dòng lạnh nhận được Nguyên nhân của sự không hợp lý này là do sai số trong quá trình thí nghiệm Tuy nhiên, ta có thể kết luận rằng mất mát nhiệt khi tấm chảy tràn ở vị trí “0” là nhỏ nhất, có giá trị rất bé và có thể coi gần đúng là không có mất mát nhiệt

Vị trí tấm chảy tràn

∆Q (%)

Đó là bởi vì khi tấm chảy tràn ở vị trí “0”, có nghĩa là chênh lệch về cột áp bằng 0, dòng nước lạnh muốn chuyển động qua buồng thí nghiệm thì bắt buộc phải hấp thu nhiệt của dòng hơi để xảy ra hiện tượng đối lưu tự nhiên Cho nên, lượng nhiệt mà dòng lạnh cần là rất lớn → hiệu quả trao đổi nhiệt cao nhất → mức độ tổn thất nhiệt là ít nhất.

Khi tấm chảy tràn ở vị trí càng cao thì chênh lệch cột áp càng lớn Dòng lạnhtự nó đã có đủ năng lượng để chuyển động qua buồng trao đổi nhiệt, cho nên hiệu quả trao đổi nhiệt thấp hơn → mức độ tổn thất nhiệt càng nhiều

Sự mất mát nhiệt nhiều ở 3 vị trí tấm chảy tràn cuối cùng không chỉ vì lý do trên mà còn do sai số trong quá trình thí nghiệm

Câu 3: Nhận xét và giải thích về ảnh hưởng của vị trí tấm chảy tràn lên các hệ số αtr , αng và K.

Hệ số Vị trí tấm chảy tràn (inch)0 ½ ¾ 1 1½

Đồ thị 7: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG

CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ĐẾN αN

αN

(W/m 2 K)

Khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì (αN)TT càng tăng vì:

Tấm chảy tràn càng cao thì chênh lệch về cột áp càng lớn → lưu lượng dòng lạnh càng tăng → vận tốc dòng lạnh càng tăng → Re càng tăng

Tấm chảy tràn càng cao thì hiệu quả truyền nhiệt càng thấp → nhiệt độ trungbình của dòng lạnh càng giảm → Pr và µ càng tăng

⇒ Nu càng tăng (công thức (13)) ⇒ (αN)TT càng tăng.

Khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì (αN)TN nhìn chung càng giảm vì: ngoại trừ vị trí tấm chảy tràn đầu tiên (đối lưu tự nhiên) thì ở các vị trí tấm chảy tràn cao hơn (đối lưu cưỡng bức), nhiệt lượng mà dòng lạnh nhận được thay đổi không đáng kể, còn ∆ t = t Vtr − t N thì càng tăng (do hiệu quả truyền nhiệt giảm) nên theo công thức (6) ⇒αtr càng giảm Đây là giá trị khó có thể giải thích một cách chính xác do được tính toán dựa trên giả thiết không có mất mát nhiệt, nhưng những số liệu trong công thức thì lại được lấy từ kết quả thí nghiệm (có sự mất mát nhiệt xảy ra)

Đồ thị 8: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG

CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ĐẾN αC

Đồ thị 9: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG

CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ĐẾN K

(αC ) TT

(αC ) TN

Vị trí tấm chảy tràn

K (W/m 2 K)

K TT

K TN

♣ Nói chung khó có thể nhận xét và giải thích một cách chính xác về ảnh hưởng của vị trí của tấm chảy tràn vì áp suất hơi đi vào buồng thí nghiệm P3

ở mỗi vị trí tấm chảy tràn là khác nhau và độ mở của van V6 để cho dòng hơi vào buồng thí nghiệm cũng khác nhau, cho nên sẽ ảnh hưởng đến tính chính xác của việc so sánh Bên cạnh đó, còn có những sai số trong quá trình thí nghiệm

Câu 4: So sánh và giải thích mối tương quan giữa giá trị tính toán và giá trị thực nghiệm của hệ số cấp nhiệt phía nước trong ống, phía nước ngưng tụ ngoài ống và hệ số truyền nhiệt tổng quát.

* Hệ số cấp nhiệt phía dòng nước lạnh chảy trong ống:

Dựa vào đồ thị 3 ⇒ có 3 giá trị (αN)TN < (αN)TT, và có 2 giá trị (αN)TN > (αN)TT, đó là khi tấm chảy tràn ở vị trí “0” và “½”

* Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ ngoài ống:

Dựa vào đồ thị 4 ⇒ ở tất cả các vị trí của tấm chảy tràn thì (αC)TN < (αC)TT.

* Hệ số truyền nhiệt tổng quát:

Dựa vào đồ thị 5 ⇒ có 4 giá trị KTN < KTT, chỉ có 1 giá trị KTN > KTT, đó là khitấm chảy tràn ở vị trí “0”

 Giải thích: theo lý thuyết, các giá trị thực nghiệm phải bằng các giá trị tínhtoán Nhưng trong bài thí nghiệm này, các giá trị thực nghiệm nhìn chung đềunhỏ hơn các giá trị tính toán Bởi vì : Các giá trị thực nghiệm là các giá trị được tính dựa trên giả thiết là không xảy ra sự mất mát nhiệt Và nhiệt lượng

Q trong các công thức tính giá trị thực nghiệm là nhiệt lượng mà dòng nước lạnh nhận được Nhưng trong thực tế thì luôn xảy ra sự mất mát nhiệt, nghĩa là nhiệt lượng tỏa ra khi hơi nước ngưng tụ luôn lớn hơn nhiệt lượng dòng nước lạnh nhận được Cho nên các giá trị tính toán của hệ số cấp nhiệt và truyền nhiệt luôn lớn hơn các giá trị thực nghiệm

Có các giá trị thực nghiệm lớn hơn giá trị tính toán, đó là do có sai số trong quá trình thí nghiệm

Câu 5: Nhận xét về sự ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống  V 

giảm này là không đáng kể, được thể hiện qua tỉ số K’TT/ KTT luôn xấp xỉ bằng 1 Cho nên trong tính toán người ta thường bỏ qua sự ảnh hưởng này.

Câu 6: Nhận xét về độ tin cậy của kết quả thí nghiệm, ước lượng sai số và những nguyên nhân dẫn đến sai số.

* Độ tin cậy của kết quả thí nghiệm:

Độ tin cậy của kết quả thí nghiệm chỉ ở mức trung bình Nguyên nhân chính là do yêu cầu của bài thí nghiệm, chỉ tiến hành đo khi quá trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định Nhưng trong thực tế thì ta chỉ có thể nhận biết chế độ ổn định này một cách tương đối, dựa vào lượng nước ngưng tụ chảy ra một cách đều đặn, cho nên không thể có độ chính xác cao được Việc chọn sai thời điểm đo sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ kết quả thí nghiệm

* Ước lượng sai số:

1 k

2 k 2

n 1 k

2 k

2

5

1 x x n

1 k

2 k 2

n 1 k

2 k

2

5

1 y y n

5

1 y x y x n

1

= 793,019

Hệ số tương quan tuyến tính:

y x

11 σ σ

µ

=

ρ = 0,993 ≈ 1

⇒ Quan hệ NuN = f(Re) là quan hệ tuyến tính: y = ax + b

Aùp dụng phương pháp bình phương cực tiểu:

= +

10 96 , 2 a 6 , 97237 a

, 14912391 b

, 8238

6091 , 56 a , 8238 b

y x x

a

x

b

y x

5 1

2 k k

5

1

k

5 1