báo cáo truyền nhiệt ống chùmthí nghiệm CN quá trình và thiết bị

Nhiệt được truyền từ vật này sang vật khác theo 3 phương thức: Dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt và bức xạ nhiệt.. Quá trình truyền nhiệt gồm:- Truyền nhiệt ổn định: nhiệt độ chỉ thay đổi theo kh

Contents 1

I.TRÍCH YẾU: 2

1.Mục đích thí nghiệm: 2

2.Kết quả thí nghiệm: 2

II.LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM: 4

1.Các quá trình cơ bản Quá trình truyền nhiệt gồm: - Truyền nhiệt ổn định: nhiệt độ chỉ thay đổi theo khơng gian, khơng thay đổi theo thời gian Chỉ xảy ra trong thiết bị làm việc liên tục - Truyền nhiệt khơng ổn định: nhiệt độ thay đổi cả theo khơng gian và thời gian Xảy ra trong các thiết bị làm việc gián đoạn hay trong giai đoạn đầu và cuối của quá trình liên tục Nhiệt được truyền từ vật này sang vật khác theo 3 phương thức: Dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt và bức xạ nhiệt Trong thực tế, quá trình truyền nhiệt thường xảy ra đồng thời theo cả 2, 3 phương thức Tùy từng trường hợp cụ thể mà ảnh hưởng của một hiện tượng nào đĩ khơng đáng kể so với tồn bộ quá trình thì cĩ thể bỏ qua Ngưng tụ là quá trình chuyển hơi nước hay khí sang trạng thái lỏng bằng 2 cách: - Làm nguội hơi (hoặc khí) - Nén và làm nguội hơi (khí) đồng thời Dùng nước để lấy nhiệt cho hơi ngưng tụ cĩ thể tiến hành theo 2 cách: - Ngưng tụ gián tiếp: cĩ tường ngăn cách giữa hơi và nước - Ngưng tụ trực tiếp: hơi và nước tiếp xúc với nhau 4

a)Dẫn nhiệt: 4

b)Đối lưu nhiệt: 4

c)Bức xạ nhiệt : 5

2.Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho hai dòng lưu chất: 6

a)Phương trình biểu diễn quá trình truyền nhiệt: 6

b)Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết Kl*: 6

c)Tính toán hệ số cấp nhiệt α1, α2 giữa vách ngăn và dòng lưu chất: 6

d)Xác định chế độ chảy của lưu chất bằng chuẩn số Re: 7

e)Xác định chuẩn số Nu cho phương thức chảy ngang (ống kiểu B): 7

f)Xác định chuẩn số Nu cho chế độ chảy dọc theo thân ống (ống kiểu C): .7

III.THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM: 10

VI.PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 11

1.Chuẩn bị 11

2.Trình tự thí nghiệm 11

V.XỬ LÝ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 11

1.Bảng xử lý kết quả 11

a)Xử lý kết quả thí nghiệm với trao đổi nhiệt 1 chặng 11

b)Xử lý kết quả thí nghiệm với trao đổi nhiệt 2 chặng 15

c)Xử lý kết quả thí nghiệm với trao đổi nhiệt 4 chặng 18

2.Đồ thị 22

IV.NHẬN XÉT VÀ BÀN LUẬN 22

Quá trình truyền nhiệt gồm:

- Truyền nhiệt ổn định: nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian, không thay đổi theo thời gian Chỉ xảy ra trong thiết bị làm việc liên tục

- Truyền nhiệt không ổn định: nhiệt độ thay đổi cả theo không gian và thời gian Xảy ra trong các thiết bị làm việc gián đoạn hay trong giai đoạn đầu và cuối của quá trình liên tục

Nhiệt được truyền từ vật này sang vật khác theo 3 phương thức: Dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt và bức xạ nhiệt Trong thực tế, quá trình truyền nhiệt thường xảy ra đồng thời theo cả 2, 3 phương thức Tùy từng trường hợp cụ thể mà ảnh hưởng của một hiện tượng nào đó không đáng kể so với toàn bộ quá trình thì có thể bỏ qua

Ngưng tụ là quá trình chuyển hơi nước hay khí sang trạng thái lỏng bằng 2 cách:

- Làm nguội hơi (hoặc khí)

- Nén và làm nguội hơi (khí) đồng thời

Dùng nước để lấy nhiệt cho hơi ngưng tụ có thể tiến hành theo 2 cách:

- Ngưng tụ gián tiếp: có tường ngăn cách giữa hơi và nước

- Ngưng tụ trực tiếp: hơi và nước tiếp xúc với nhau

a)Dẫn nhiệt:

Dẫn nhiệt là sự truyền nhiệt trong nội bộ vật thể hoặc thông qua tiếp xúc trực tiếp trên bề mặt

b)Đối lưu nhiệt:

• Đối lưu nhiệt là sự truyền nhiệt sinh ra bởi sự chuyển động của dòng chất khí (chất lỏng)

• Khí nóng luôn di chuyển trên và khí lạnh chìm xuống Quy trình này được gọi là đối lưu tự nhiên.

• Đối lưu nhiệt cũng có thể bị tác động cưỡng bức bởi gió hoặc dùng quạt

Một số ví dụ thông thường về đối lưu nhiệt:

Khí nóng đi ra từ cửa quạt hút (cưỡng bức)

Khí nóng thoát lên qua hệ thống tản nhiệt (Sau khi tiếp xúc & nóng lên qua sự tiếp xúc với bề mặt tản nhiệt)

• Chỉ khi tia bức xạ đập vào một bề mặt, năng lượng bức xạ mới sinh ra nhiệt làm cho bề mặt này nóng lên

Bức xạ nhiệt từ mặt trời, đập vào vách và mái nhà Các vật liệu này sẽ hấp thụ nhiệt lượng đó và nóng lên Nhiệt này truyền vào mặt trong của vách & mái nhà thông qua quá trình dẫn nhiệt và tiếp theo đó là bức xạ tiếp tục vào không gian bên trong.Các bề mặt này tiếp tục phát xạ, và tiếp đến, làn da con người hứng chịu bức xạ nhiệt xuyên qua không khí Chính bức xạ thứ cấp này là nguyên nhân gây ra sự

“nóng hầm” trong nhà và đem lại sự nóng bức khó chịu cho con người

2 Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho hai dòng lưu chất:

Q = G1C1(t1V – t1R) = G2C2(t2V – t2R) ,W

Trong đó:

G1, G2: Lưu lượng dòng nóng và dòng lạnh (kg/s )

C1, C2: Nhiệt dung riêng trung bình của dòng nóng và dòng lạnh (J/kg.K)

t1V, t1R: Nhiệt độ vào và ra của dòng nóng (K)

t2V, t2R: Nhiệt độ vào và ra của dòng lạnh (K)

a) Phương trình biểu diễn quá trình truyền nhiệt:

Q = Kl.Δtlog.L

Trong đó:

L: Chiều dài ống, m

Kl: Hệ số truyền nhiệt dài (thực nghiệm),

dng, dtr: Đường kính ngoài và đường kính trong của ống truyền nhiệt, m

λ: Hệ số dẫn nhiệt của kim loại làm ống (ở đây là Cu), W/mK

rb: Nhiệt trở của lớp cáu

db: Đường kính lớp cáu, m

Bài này ta bỏ qua ảnh hưởng của lớp cáu đến quá trình truyền nhiệt

c) Tính toán hệ số cấp nhiệt α1, α2 giữa vách ngăn và dòng lưu chất:

R l t

n m

A

Pr

Pr Pr

Re

25 0

n l

t t

t t

tr

ng tr

l

d

r d

d

d d

K

++

+

=

2 1

*

1ln

.2

11

α λ

α

π

Các hệ số A, n, m, εl, εR là các hệ số thực nghiệm, tùy thuộc vào các yếu tố sau:

• Chế độ chảy của dòng lưu chất

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

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

d) Xác định chế độ chảy của lưu chất bằng chuẩn số Re:

w: Vận tốc dòng, m/s

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

l: Kích thước hình học đặc trưng, m Trường hợp dòng lưu chất chuyển động qua tiết diện không tròn, l được tính với đường kính tương đương dtđ

= Π

F

dtd 4

Trong đó:

F: Diện tích mặt cắt (tiết diện ngang mà dòng lưu chất chuyển động qua), m2

Π: Chu vi tiết diện ướt (chu vi mà chất lỏng tiếp xúc với bề mặt trao đổi nhiệt), m

ν: Độ nhớt động học của lưu chất, được xác định ở nhiệt độ trung bình của dòng lưu chất

e) Xác định chuẩn số Nu cho phương thức chảy ngang (ống kiểu B):

f) Xác định chuẩn số Nu cho chế độ chảy dọc theo thân ống (ống kiểu C):

• Chế độ chảy màng Re < 2320

1

25 , 0 1

0 43 , 0 33 ,

Pr

Pr PrRe15,

3

10Re

5< <

25 , 0 38

, 0 5 , 0

Pr

Pr.Pr.Re5,0

10.2Re

10 ≤ <

25 , 0 38 , 0 6 , 0

Pr

PrPr

.Re25,0

Pr

PrPr

Re023,0

• Chế độ chảy chuyển tiếp: 2320 < Re < 10000

1

25 , 0 43

,

Pr

PrPr

, 0 8 , 0

Pr

Pr.Pr.Re.021,0

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

α: Hệ số dẫn nhiệt của lưu chất, m2/s

• Chuẩn số Gr:

2

3

ν

l g

Trong đó:

Δt: hiệu nhiệt độ giữa thành ống và lưu chất

β: hệ số giãn nở thể tích, 1/K

Pr: chuẩn số Prandtl của lưu chất được xác định ở nhiệt độ trung bình của lưu chất

Prv: chuẩn số Prandtl của lưu chất được xác định ở nhiệt độ bằng nhiệt độ trung bình của thành ống

Nếu nhiệt độ của thành ống (vách) không biết, việc tính toán có thể thực hiện theo trình tự sau:

Hình: Sơ đồ phân bố nhiệt độ khi truyền nhiệt giữa các lưu chất qua vách ngăn.

Δt1 = t1 – tv1

Δt2 = tv2 – t2

Ta thực hiện phép tính lặp

Khởi điểm ta chọn gần đúng hiệu số giữa nhiệt độ lưu chất và vách ngăn như sau:

2

1 2

Hiệu số nhiệt độ log biểu diễn như sau:

Từ đây ta tính được nhiệt độ trung bình của lưu chất và vách ngăn, do

đó tính và Nu

l

Nuλ

α = . , W/m2K

Trong đó:

λ: hệ số dẫn nhiệt của lưu chất, W/mK

l: kích thước hình học đặc trưng, m

Sau khi có kết quả tính α1, α2 ta kiểm tra ∆t1, ∆t2 bằng phương trình sau:

2 2 1 1

α

t K

α

t K

log 1

Re

Re 1

) 2 1 (

log 2

Re

Re 1

) 2 1 (

III THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM:

Hệ thống thiết bị thí nghiệm gồm:

1 thiết bị ống chùm nằm ngang đường kính Dn=80mm, đường kính trong

Dtr=76mm, chùm ống có 20 ống đồng với φ = 8mm, chiều dài L= 340mm, phía thân ống có 4 tấm chặn, bước chặn L=80mm

Thiết bị ống chùm có 2 nắp bích có thể tháo mở dễ dàng để ta có thể thay đổi thí nghiệm ở các trường hợp dòng lưu chất chuyển động bên trong ống với số pass là 1,2 và 4 tức là thiết bị truyền nhiệt vỏ-ổng kiểu (1-1), (1-2), (1-4)

1 Bơm 2 Van điều chỉnh lưu lượng dòng nóng

3 van hoàn lưu 4 Van điều chỉnh lưu lượng dòng lạnh

5 nồi đun 6 Lưu lượng kế dòng nóng

7 tủ điều khiển 8 Lưu lượng kế dòng lạnh

9 chùm ống

VI PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

1 Chuẩn bị

a) Làm quen với hệ thống thiết bị, tìm hiểu các van và tác dụng của nó

b) Tìm hiểu đượng đi của dòng lạnh phía ngoài vỏ và đường đi của dòng nóng phía trong ống truyền nhiệt khi ta thay đổi số chặng

c) Làm quen với thiết bị đo nhiệt độ, các vị trí đo và cách điều chỉnh công tắc

để đo nhiệt độd) Làm quen với thiêt sbij đo lưu lượng và cách điều chỉnh lưu lượng

e) Xác định các đại lượng cần đo

f) Đo lưu lượng dòng nóng, dòng lạnh, nhiệt độ ở các vị trí cần thiết lập bảng

để ghi kết quả đo

2 Trình tự thí nghiệm

1) Cấp nước vào nồi đnu2) Bật CB tổng để cấp điện vào hệ thống3) Bật công tắt 1, cấp điện vào thiết bị thí nghiệm4) Bật công tắt 3,4 cấp điện vào nồi đun

5) Cài đặt nhiệt độ cần đun ( lưu ý: nhiệt độ cài đặt không quá 80 độ C) khi nồi đnu đạt giá trị cài đặt thì hệ thống sẽ tự ngắt

6) Mở van 3 để hiệu chỉnh lưu lượng dòng vào7) Sau khi dòng lạnh đã có trong thiết bị thí nghiệm, bật công tắt 2 khởi động máy bơm, bơm dòng nóng từ nồi đun vào thiết bị thí nghiệm8) Điều chỉnh van 1 để hoàn lưu về nồi đun và van 2 để hiệu chỉnh lưu lượng dong nóng

9) Ghi các đại lượng cần đo khi quá trình ổn định hoàn toàn- ứng với mỗi giá trị lưu lượng dòng nóng đo 5 giá trị lưu lượng dòng lạnh10) Điều chỉnh lưu lượng của các dòng để thay đổi chế độ chảy và lặp lại thí nghiệm với thông số ổn định mới

V XỬ LÝ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

1 Bảng xử lý kết quả

a) Xử lý kết quả thí nghiệm với trao đổi nhiệt 1 chặng

TÍNH NHIỆT LƯỢNG Q VÀ TỔN THẤT NHIỆT ΔQ

GVHD: Thầy Nguyễn Sỹ Xuân Ân Page 12

ρ 2 (kg/m 3 )

C p1 (kJ/kg.K)

C p2 (kJ/kg.K) Q 1 (W) Q 2 (W)

Prv Nu2 Nu1 chế độ α2 α1 Kl*4,0405 25,7323 110,2736 chảy rối 573,7112 558,0692 6,3585274,0405 31,78066 110,2736 chảy rối 706,6391 558,0692 6,934034,0405 37,76819 110,2536 chảy rối 839,771 557,50157 7,3869114,079 43,12555 109,9723 chảy rối 957,5866 555,61395 7,7017394,1175 48,05157 109,6733 chảy rối 1065,514 553,17529 7,9353324,0405 25,7323 110,2333 chảy rối 573,7112 556,9328 6,3512924,079 31,66891 109,9519 chảy rối 705,1123 555,04547 6,9052884,1175 37,59037 109,6525 chảy rối 835,8171 552,60624 7,3325954,1175 43,02438 109,6525 chảy rối 955,3403 552,60624 7,6676234,1175 48,05157 109,6525 chảy rối 1065,514 552,60624 7,9295934,079 25,61503 109,9312 chảy rối 571,8715 554,47599 6,3266594,1175 31,59462 109,6525 chảy rối 703,4583 552,60624 6,8804694,1175 37,59037 109,6314 chảy rối 835,8171 552,03635 7,3276774,156 42,92439 109,3554 chảy rối 953,1201 550,18407 7,6390744,156 47,9399 109,3341 chảy rối 1063,037 549,61403 7,893934,1175 25,55494 109,6102 chảy rối 570,53 551,46569 6,3009064,156 31,5212 109,3341 chảy rối 701,8234 549,61403 6,8514994,156 37,50301 109,3126 chảy rối 833,8747 549,04333 7,2958794,1945 42,82555 109,0392 chảy rối 950,9254 547,20912 7,6053464,1945 47,82951 109,0392 chảy rối 1060,59 547,20912 7,8642434,1945 25,54808 109,0609 chảy rối 568,8312 547,7791 6,2690564,233 31,41302 108,7904 chảy rối 698,4645 545,96061 6,8109334,1945 37,45907 109,0174 chảy rối 831,7646 546,63862 7,2686384,2715 42,67879 108,501 chảy rối 946,3757 543,5899 7,5595024,2715 47,66477 108,479 chảy rối 1055,495 543,02107 7,810697

b) Xử lý kết quả thí nghiệm với trao đổi nhiệt 2 chặng

TÍNH NHIỆT LƯỢNG Q VÀ TỔN THẤT NHIỆT ΔQ

ρ 2 (kg/m 3 )

C p1 (kJ/kg.K)

C p2 (kJ/kg.K) Q1 (W) Q2 (W) ΔQ (W)

4,5875 30,68045 93,42211 chảy rối 679,3917 464,27196 6,089655

c) Xử lý kết quả thí nghiệm với trao đổi nhiệt 4 chặng

TÍNH NHIỆT LƯỢNG Q VÀ TỔN THẤT NHIỆT ΔQ

GVHD: Thầy Nguyễn Sỹ Xuân Ân Page 20

ρ 2 (kg/m 3 )

C p1 (kJ/kg.K)

C p2 (kJ/kg.K) Q1 (W) Q2 (W) ΔQ (W)