Giáo trình thí nghiệm quá trình thiết bị

Với mỗi loại ống, ta cố định lưu lượng dòng nóng đo nhiệt độ của nó, rồithay đổi lưu lượng dòng lạnh, ứng với mỗi giá trị của lưu lượng ta đo nhiệt độ củachúng.. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM : T

- Thiết lập cân bằng nhiệt lượng.

2 Tiến hành thí nghiệm :

Tiến hành các thí nghiệm với các loại ống khác nhau với chế độ dòng chảykhác nhau Với mỗi loại ống, ta cố định lưu lượng dòng nóng đo nhiệt độ của nó, rồithay đổi lưu lượng dòng lạnh, ứng với mỗi giá trị của lưu lượng ta đo nhiệt độ củachúng

II LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM :

Truyền nhiệt trong thiết bị dạng ống lồng ống là sự truyền nhiệt phức tạpgiữa hai lưu chất để ngăn cách Phưong thức truyền nhiệt:nhiệt đối lưu từ vách ngănđến lưu chất (ngược lại) và dẫn nhiệt qua thành ống kim loại

 Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho hai dòng lưu chất

Q G C t 1 1( V1  t V2) G C t2 2( R2  t V2) , ( W)

G G1, 2:Lưu lượng dòng nóng và dòng lạnh (kg/s)

C C1, 2: Nhiệt dung riêng của lưu chất (J/kg.độ)

t V1,t V2:Nhiệt độ vào của dòng nóng ,lạnh (0C )

t R1,t R2: Nhiệt độ ra của dòng nóng ,lạnh (0C )

 Quá trình truyền nhiệt được biểu diễn bởi phương trình:

Với L: chiều dài ống, m

K L: Hệ số truyền nhiệt dài, W/mK

tlog : chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit,K

l n

ng tr

L

d

r d

d

d d

K

2 1

1 ln

2

1 1







d ng,d t: đường kính ngoài và đường kính trong của ồng truyền nhiệt ,m

 : hệ số dẫn nhiệt của của kim loại làm ống,W/mK

d b : đường kính lớp bẩn,m

rb: nhiệt trở của lớp cáu

 Hệ số cấp nhiệt  1 , 2 giữa vách ngăn và các dòng lưu chất được tính từ chuẩn số Nu:

R i t

n m

A

Pr

Pr Pr Re

25 , 0

Các hệ số A, n, m,  i,  R là các hệ số thực nghiệm, tùy thuộc vào các yếu tố sau:

 Chế độ chảy của các dòng lưu chất

 Sự tương quan giữa dòng chảy và bề mặt truyền nhiệt

 Đặc điểm bề mặt truyền nhiệt( độ nhám, hình dạng )

III DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM:

1 Thiết bị thí nghiệm:

Hệ thống thiết bị thí nghiệm (xem hình ) có 3 kiểu kết cấu bề mặt truyền nhiệt như sau:

- Kiểu A : loại ống nhún ( ống đàn hồi được )

- Kiểu B : loại ống lồng ống mà lưu chất chảy ngang mặt ngoài của ống trong,hai dòng lưu chất có phương vuông góc nhau

- Kiểu C (C1,C2,C3): loại ống lồng ống đơn giản, lưu chất chảy dọc mặt của ống trong ,hai dòng chảy có phương song song nhau

Kích thước ống :

2 Phương pháp thí nghiệm:

Sau khi chuẩn bị và làm quen với thiết bị ta cần đo các đại lượng : lưu lượngdòng nóng, dòng lạnh, nhiệt độ vào, ra của các dòng nóng và dòng lạnh:

t V1,t R1,t V2,t R2

3 Trình tự thí nghiệm :

- Cấp nước đầy vào nồi đun (khi nước bắt đầu chảy qua ống chảy tràn)

- Đóng cầu dao R1, R2, R3, và R4 để đun nước

- Khi nồi đun đạt nhiệt độ (nước bắt đầu sôi), bắt đầu tiến hành thí nghiệm

- Mở van V1, V2, V3, V6, và V7 V5 luôn đóng

- Đóng cầu dao P1 để khởi động bơm, bơm dòng nóng từ nồi đun vào thiết

bị thí nghiệm

- Muốn khảo sát loại ống nào ta mở van chặn tương ứng ở đầu vào dòngnóng( VN1, VN2, VN3, VN4, VN5) và ở đầu ra dòng lạnh (VL2, VL3, VL4, VL5) của ống đó,khoá tất cả các van khác lại

- Dùng van V3 để điều chỉnh lưu lượng dòng nóng( hoàn lưu một phần dòngnóng về lại nồi đun)

- Dùng van II để cố định lưu lượng dòng nóng, sau đó đổi chiều van II để

đo lưu lượng dòng lạnh( ứng với mỗi lưu lượng dòng nóng đo 4 giá trị lưu lượng dònglạnh)

- Điều chỉnh lưu lượng các dòng để thay đổi chế độ chảy và lặp lại thínghiệm với thông số ổn định mới

Dòng l ạnh

IV KẾT QUẢ TÍNH:

Bảng Số Liệu:

(ft 3 /ph)

G 2 (ft 3 /ph) t 1V t 1R t 2V t 2R t 1V t 1R t 2V t 2R

Kết quả Ống B:

Nhiệt lượng:

DÒNG NÓNG BSTT G1,106

Tính Sai Soá laàn 1:

Nhiệt lượng

DÒNG LẠNH CSTT G(m1,103/s)6

19.89 24.72 62.11 61.72 2.89 2.9

121.4

Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa Re – K,Kl*

V BÀN LUẬN:

Thiết bị truyền nhiệt kiểu ống lồng ống thường được dùng để đun nónghay làm nguội các lưu chất không kèm theo quá trình chuyển pha Nó thườnggồm các ống truyền nhiệt không có cánh tản nhiệt, thích hợp cho các TBTNlỏng – lỏng, khí – khí, ít khi dùng cho thiết bị ngung tụ hay bốc hơi

 Chủ yếu truyền nhiệt được thực hiện là nhờ sự trộn lẫn các lớp lưu chất trong và ngoài xa trục của dòng chảy

- Nhược điểm : phụ tải nhiệt bé

1 Tổn thất nhiệt là đáng kể : thể hiện ở việc nhiệt lượng mất đi của

dòng nóng lớn hơn nhiều so với nhiệt nhận vào của dòng lạnh.

Nguyên nhân :

- Nhiệt làm cho hệ thống ống nóng lên

- Nhiệt lượng truyền qua ống qua môi trường

- Ngoài ra còn do sai số thao tác do khi đọc đồng hồ nhiệt độ

2 Nguyên nhân gây ra sai số :

- Có thể hệ thống chưa ổn định đã thực hiện đo số liệu

- Đọc nhiệt độ không cùng thời điểm, nhiệt độ không ổn định

- Bơm lưu chất hoạt động không ổn định ( do điện không ổn định)

- Sự rò rỉ chất lỏng trong hệ thống ống

- Các ống này nối lại thành một hệ thống bởi đó sẽ có sự truyền nhiệt lẫn nhau trong toàn hệ thống

- Thất thoát nhiệt do sự trao đổi nhiệt giữa ống với môi trường bên ngoài

- Do quá trình xử lý kết quả không chính xác

2.1 Aûnh hưởng của sai số đến quá trình tính toán:

- Sai số dây chuyền trong quá trình tính toán

- Sự dẫn nhiệt của ống dẫn đến tổn thất Q lớn hơn nhiều trong lý thuyết

- Ngoài ra khi ta tính nhiệt độ bề mặt của ống theo công thức cuả tài liệuthì thực tế tb (nhiệt độ chất bẩn ) này càng nhỏ hơn do đó có sự truyền nhiệt ra môitrừơng , sai số này sẽ ảnh hưởng đến giá trị Nu, , KL

1.2 Biện pháp khắc phục sai số :

- Ta cần thao tác thí nghiệm chính xác

- Lúc đồng hồ đã ổn định mới đọc được

- Lưu chất cần nên sạch

- Đọc chính xác số liệu, bằng các đọc gía trị trung bình trên đồng hồ đo

3.Sự khác nhau của KL và K*

Ống làm bằng đồng không nói rõ có nguyên chất hay không làm ảnhhưởng đến giá trị Cu, nếu ta chọn Cu lớn suy ra KL > K*

L , nếu Cu nhỏ suy ra KL < K*

L

Đồ thị Re-KL và Re-K*

L ở kiểu B có cắt nhau và dạng đồ thị có phầnkhác nhau là do những sai số trên gây ra

VI PHỤ LỤC:

Các tính chất vật lý: , C p , ,, Pr được tra từ bảng số liệu theo nhiệt độ trung bình của dòng lưu chất.

n l

t

t Ln

t t t

ng

r d

d

d d

K

2 1

ln 2

1 1

1, 2 : hệ số cấp nhiệt (W/m2K)

 : hệ số dẫn nhiệt của kim loại(W/mK) ,vật liệu bằng đồng,

Cu=385 w/mK

dng,dtr : đường kính ngoài và trong của ống (m)

rb,db : nhiệt trở và bề dày của lớp bẩn

F : diện tích mặt cắt ướt

Kích thước hình học đặc trưng:

 Ống B:

 Dòng nóng: d= đường kính trong = 0.014 (m)

 Dòng lạnh : d= đường kính ngoài của ống trong = 0.016 (m), (do dòng lạnh chảy men theo phía ngoài thành ống vuông góc với dòng nóng)

 Ống C:

 Dòng nóng: d= đường kính trong = 0.014 (m)

 Dòng lạnh : d=4F/

2 1

2

d F

 2 1

14





01 0 016 0 026 0

d2: đường kính trong của ống ngoài, d2= 0.026 (m)

d1: đường kính ngoài của ống trong, d1= 0.016 (m)

Chuẩn số Prante:

a



 Pr

: độ nhớt động học của lưu chất

a: hệ số dẫn nhiệt của lưu chấtPr: tra bảng theo nhiệt độ trung bình của lưu chất

Prv: tra bảng theo nhiệt độ trung bình của vách

 Nu được tính theo công thức tùy thuộc vào Re:

- Với kiểu B:

5< Re < 103 Nu = 0,5.Re0,5.Pr0,38(Pr/Prt)0,25

103<Re<2.105 Nu = 0,25.Re0,6Pr0,38(Pr/Prt)0,25.2.105<Re< 2.106 Nu = 0,023.Re0,8Pr0,37(Pr/Prt)0,25

Các hệ số : C phụ thuộc Re

l phụ thuộc vào L/d

Trường hợp này: L/d = 1/0.01 = 100, ta chọn 1 = 1.

Sau khi có Nu suy ra  ( ở đây tính Nu cho từng dòng trong mỗi kiểu)

Nu1 = l.1/1

 1 = Nuù1.1/l  2 = Nuø2 2/lSau khi có 1 , 2 tra Cu = 385 w/mK, suy ra KL theo công thức trên

Do nhiệt độ thành ống (vách )không biết, ta tính theo trình tự sau:

t1 = t1 – t ‘

v1

t2 = t ‘ v2 – t2

t ‘

v1, t ‘

v2 : nhiệt độ vách trong và vách ngoài của ống trong

t1, t2: nhiệt độ trung bình của dòng nong và dòng lạnh:

2

1 1 1

r

v t t

Ta thực hiện phép tính lặp:

Ban đầu, chọn gần đúng hiệu số giữa nhiệt độ lưu chất và vách như sau:

1

2 2

 

1 2

log 2

Re

Re1

21

log 1

Re

Re1

5.1

: hệ số dẫn nhiệt của lưu chất

l: kích thước hình học đặc trưng,m

Sau khi có lết quả tính 1 2 ta kiểm tra t1, t2 bằng phương trình sau:

q = K tlog = 1t1 = 2 t2

1 log ' 1

.



t K



2 log ' 2

.



t K

d

nên tính gần đúng:

2 1

'

1 1

t

t t

tr

ng Cu

r d

d

d d

K

2 1

1

1 ln

2

1 1

r

=0

VII TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1 Phạm Văn Bôn - Nguyễn đình Thọ," Quá trình và thiết bị truyền nhiệt",ĐHBK Tp.HCM, 1992,

2 TS Trần Xoa - TS Nguyễn Trọng Khuông - Ks Hồ Lê Viên,”Sổ tay Quá trìnhvà Thiết bị Công nghệ Hoá chất” ,tập 1,Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội,1992

3 TS Trần Xoa - TS Nguyễn Trọng Khuông - Ks Hồ Lê Viên,”Sổ tay Quá trìnhvà Thiết bị Công nghệ Hoá chất” ,tập 2,Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội,1992