Xác định hệ số truyền nhiệt của chất lỏng chảy trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống và kiểm định hệ số truyền nhiệt giữa thực tế và lý thuyết. Mặt khác, thông qua bài thí nghiệm ta hiểu thêm về quá trình và thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống. Trong quá trình truyền nhiệt giữa lưu chất nóng sang lưu chất lạnh được thực hiện trong các loại thiết bị truyền nhiệt. Dựa vào đặc tính, tính chất hay loại thiết bị, quá trình trao đổi nhiệt được phân loại theo chiều chuyển động của lưu chất hay theo dạng thiết bị trao đổi nhiệt: Chiều chuyển động của lưu chất và dạng thiết bị trao đổi nhiệt.
Trang 1BÀI 1 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT TRONG ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH
I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM:
Xác định hệ số truyền nhiệt của chất lỏng chảy trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống và kiểm định hệ số truyền nhiệt giữa thực tế và lý thuyết Mặt khác, thông qua bài thí nghiệm ta hiểu thêm về quá trình và thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống
II TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM:
Thí nghiệm tiến hành trao đổi nhiệt của 2 lưu chất trong hệ thống trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống như hình sau:
Hình: Thiết bị hệ thống trao đổi nhiệt thực tế
Tn1
Tl2
Tl1
Tn2
Trang 2Thí nghiệm tiến hành quá trình trao đổi nhiệt của hai lưu chất trong hệ thống trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống Các kích thước cơ bản của hệ thống được trính bày ở bảng 1.1
Bảng Thông số cơ bản của hệ thống trao đổi nhiệt ống lồng ống thí nghiệm:
Hệ số dẫn nhiệt của ống trong (thép không rỉ) 20W/m.K
Đường kính trong của ống ngoài (d1) 32,5mm = 32,5 x 10-3m Đường kính trong của ống ngoài (d2) 16,1mm = 16,15 x 10-3m Đường kính tương đương (dtd) 14,4mm = 14,4 x 10-3m
Tác nhân lạnh (chất giải nhiệt) là nước cấp Tác nhân nóng là nước
Đun nóng tác nhân nóng ( nước đến nhiệt độ 650C) trước khi đưa vào hệ thống trao đổi nhiệt
Tác nhân nóng đưa vào hệ thống bằng bơm, điều chỉnh lưu lượng bằng van tiết lưu Đồng thời, mở van điều chỉnh lưu lượng nước lạnh Chú ý điều chỉnh lưu lượng dòng chảy phù hợp để có hệ số Re >104 (chảy rối)
Quan sát sự thay đổi nhiệt độ của hai lưu chất đến khi đạt giá trị ổn định Ghi lại giá trị nhiệt độ vào và ra và lưu lương của các dòng
Ghi nhận kết quả thí nghiệm:
Tính toán và thảo luận kết quả:
1/ Chuẩn số Reynolds tính theo kết quả đo lần 1:
* Theo tác nhân nóng:
0,4 0,8
1 0.023 R e P r
d
λ
=
Ta có:λ = 20m W.K
Nhiệt độ trung bình của lưu chất nóng: T tbn = =
2
56.4 71,6 +
C
o
64
Trang 3Tra sổ tay ta có: ρ =980.6 3
m
kg
=
µ 0,441.10− 3Pa. s
Pr = 2,82 Đường kính ngoài của ống trong: d 3m
1 = 18 , 1 10 − Đường kính trong của ống trong: d =16,1.10−3m
Lưu lượng tác nhân nóng: Q
s
m
=
n
3 5
-.10 33
540 , 12039
d.V.
Re 0,34
µ
ρ
= s
m
= V m
=
=>chảy rối
* Theo tác nhân lạnh:
4 , 0 8 , 0
1 0 023 R e P r
d
λ
Ta có:λ = 20m W.K
Nhiệt độ trung bình của lưu chất lạnh: T tbl = + =
2
32,9 24,7
C
o
28,8
Tra sổ tay ta có: ρ =995,98 3
m kg
=
μ 0,820.10− 3Pa s
=
P r 5,75 Đường kính ngoài của ống trong: d = 3m
1 18,1.10 − Đường kính trong của ống ngoài: d =32,5.10 − 3m
Lưu lượng tác nhân lạnh: Q
s
m
=
l
3 5
117.10 − Diện tích bề mặt thấm ướt:
S=S(ngoài)-S(trong)= 3 2 3 2 5 , 723 10 4 2
4
) 10 1 , 18 ( 4
) 10 5 , 32 (
m
−
−
−
=
− π π
Chu vi thấm ướt: C w=C(ngoài)+(trong)=π 32 , 5 10 − 3 + π 18 , 1 10 − 3 = 0 , 159m
01 , 9471 V.
d Re 0,473
10 628 , 1 4
) 4 (
4
) 4 (
4
2 2
2
=
⇒
⇒
=
=
π π
s
m
= V m C
S r
d
=
<10.000 =>không phải chảyrối
2/ Chuẩn số Reynolds tính theo kết quả đo lần 2:
* Theo tác nhân nóng:
4 , 0 8 , 0
1 0 023 R e P r
d
λ
Ta có:λ = 20m W.K
Nhiệt độ trung bình của lưu chất nóng: T tbn = + =
2
59,0 72,0
C
o
65,5
Trang 4Tra sổ tay ta có: ρ =979,8m3
kg
=
μ 0,431.10− 3Pa s
=
r
P 2,75 Đường kính ngoài của ống trong: d 3m
1 = 18 , 1 10− Đường kính trong của ống trong: d =16,1.10 − 3m
Lưu lượng tác nhân nóng: Q
s
m
=
n
3 4
5.10−
5996 15749
d.V.
Re 0,44
µ
ρ
= s
m
= V
=
* Theo tác nhân lạnh:
4 , 0 8 , 0
1 0 023 R e P r
d
λ
Ta có:
K m
W
= λ
20 Nhiệt độ trung bình của lưu chất lạnh: T tbl = + =
2
33.6 24.7
C
o
29,15
Tra sổ tay ta có: ρ =995,96 3
m
kg
=
µ 0,813.10− 3Pa. s
=
P r 4,43 Đường kính ngoài của ống trong: d = 3m
1 18,1.10− Đường kính trong của ống ngoài: d =32,5.10−3m
Lưu lượng tác nhân lạnh: Q
s
m
=
n
3 5
117.10− Diện tích bề mặt thấm ướt:
S=S(ngoài)-S(trong)= 3 2 3 2 5 , 723 10 4 2
4
) 10 1 , 18 ( 4
) 10 5 , 32 (
m
−
−
−
=
− π π
Chu vi thấm ướt: C w=C(ngoài)+(trong)=
m
159 , 0 10 1 , 18 10 5 , 32 − 3 + π − 3 = π
67171 , 13222 V.
d Re
0,66 10
628 , 1 4
) 4 (
4
2 2
=
⇒
⇒
=
=
µ ρ
π
s
m
= V C
S d
=
>10.000 => chảy rối
Ở nhiệt độ 64oC, hệ số dẫn nhiệt K=662
mK
W
3
10− ;
C p =4186 0
.C kg J
Pr=
K
C p µ
=2,82
Trang 5Hệ số cấp nhiệt từ nước nóng qua thành ống trong:
4 , 0 8 , 0
1 0 023 R e P r
d
λ
α = =117669,1372(V ới: λ = 20m W.K )
* Hệ số cấp nhiệt từ tường trong ra đến tường ngoài ống: 2 = = 20 000
δ
λ α
K
m
W
2
* Hệ số cấp nhiệt từ tường ra nước lạnh cấp nhiệt trong ống hình vành khăn khi chảy rối cưỡng bức hoàn toàn:
0,4 0,8 0,45
3 0,023 ) R e P r
d D
D ( d
λ
= α
Ta có:λ = 20m W.K
m
d = 18 , 1 10 − 3 (đường kính ngoài ống trong)
m
=
D 32,5.10−3 (đường kính trong ống ngoài)
=
r
P 5,75 (trong trường hợp lạnh)
* Hệ số truyền nhiệt K khi lưu chất trao đổi nhiệt trong thiết bị:
K
3 2 1
1 1 1 1
α
+ α
+ α
=
= 15482,76538m W2đô
- Xác định hệ số truyền nhiệt theo thực tế:
Hiệu số nhiệt trung bình giữa lưu chất nóng và lưu chất nguội, o C
C
=
= T T
=
l2
C
=
= T T
=
l1
1 , 35 ) 7 , 38
7 , 31 ln(
7 , 38 7 , 31 ln
1 2
1
−
ΔT ΔT
ΔT ΔT
= ΔT
C
o
- Xác định hệ số truyền nhiệt theo thực tế:
Q = K.F.∆T= mCp∆t
+ Ứng với Ttb lưu chất lạnh = 28,8 0 C
Tra bảng và nội suy → Cp = 4174 J/Kg.0C và ρ = 994,416 kg/m3
+ Lưu lượng khối lượng của lưu chất lạnh chảy trong ống :
m = 1,27.10 -4 m3/s = 1,27.10-4.994,416 = 0,126 kg/s
+ ∆t: Chênh lệch nhiệt độ vào và nhiệt độ ra , ∆t = 32,9 - 24,7 = 8,2 0C + F= π.d.L = π.18,1.10-3.1 = 56,86.10-3 m2
+ ∆T:Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit của lưu chất nóng
l2
Trang 6=
= T T
=
l1
1 , 35 ) 7 , 38
7 , 31 ln(
7 , 38 7 , 31 ln
1 2
1
−
ΔT ΔT
ΔT ΔT
= ΔT
C
o
1 , 35 10 86 , 56
2 , 8 4174 126 , 0
∆
∆
T F
t mC
Ở nhiệt độ 65,5oC, hệ số dẫn nhiệt K=662,78
mK
W
3
10− ;
=
p
.C kg J
Pr=
K
C p µ
=2,75
Hệ số cấp nhiệt từ nước nóng qua thành ống trong:
4 , 0 8 , 0
1 0 023 R e P r
d
λ
α = =97989,13441 (V ới: λ = 20m W.K )
Hệ số cấp nhiệt từ tường trong ra đến tường ngoài ống: 2 = = 20 000
δ
λ α
K
m
W
2
Hệ số cấp nhiệt từ tường ra nước lạnh cấp nhiệt trong ống hình vành khăn khi chảy rối cưỡng bức hoàn toàn:
0,4 0,8 0,45
3 0,023 ) R e P r
d D
D ( d
λ
= α
Ta có:λ = 20m W.K
m ,
=
d 18 1.10 − 3 (đường kính ngoài ống trong)
m
=
D 32,5.10−3 (đường kính trong ống ngoài)
=
r
P 5 (trong trường hợp lạnh)
Hệ số truyền nhiệt K khi lưu chất trao đổi nhiệt trong thiết bị:
K
3 2 1
1 1 1 1
α
+ α
+ α
=
= 14828,84763m W2đô
- Xác định hệ số truyền nhiệt theo thực tế:
Hiệu số nhiệt trung bình giữa lưu chất nóng và lưu chất nguội, o C
C
=
= T T
=
l2
C
=
= T T
=
l1
Trang 73 , 36 ) 4 , 38
3 , 34 ln(
4 , 38 3 , 34 ln
1 2
1
−
ΔT ΔT
ΔT ΔT
= ΔT
C
o
- Xác định hệ số truyền nhiệt theo thực tế:
Q = K.F.∆T= mCp∆t + Ứng với Ttb lưu chất lạnh = 29,150 C
Tra bảng và nội suy → Cp = 4174 J/Kg.0C và ρ = 994,385 kg/m3
+ Lưu lượng khối lượng của lưu chất lạnh chảy trong ống :
m = 1,07.10 -4 m3/s = 1,07.10-4.994,385 = 0,1064 kg/s
+ ∆t: Chênh lệch nhiệt độ vào và nhiệt độ ra , ∆t = 33,6 - 24,7 = 8,90C + F= π.d.L = π.18,1.10-3.1 = 56,86.10-3 m2
+ ∆T:Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit của lưu chất nóng
l2
C
=
= T T
=
l1
3 , 36 ) 4 , 38
3 , 34 ln(
4 , 38 3 , 34 ln
1 2
1
−
ΔT ΔT
ΔT ΔT
= ΔT
C
o
3 , 36 10 86 , 56
9 , 8 4174 1064 , 0
∆
∆
T F
t mC
2
3 14828,8476 8
15482,7653 + =
=
K TTTB
925 , 2037 2
01 , 1915 84
, 2160
=
+
=
Nhận xét:
- Trong quá trình truyền nhiệt giữa lưu chất nóng sang lưu chất lạnh được thực hiện trong các loại thiết bị truyền nhiệt Dựa vào đặc tính, tính chất hay loại thiết bị, quá trình trao đổi nhiệt được phân loại theo chiều chuyển động của lưu chất hay theo dạng thiết bị trao đổi nhiệt: Chiều chuyển động của lưu chất và dạng thiết bị trao đổi nhiệt.
- Hệ số truyền nhiệt giữa thực tế và lý thuyết có sự chênh lệch rất lớn Hệ số truyền nhiệt lý thuyết lớn hơn nhiều lần so với thực tế ( ≈ 6,7 lần.) Có thể do một số
nguyên nhân sau:
F Do sai số trong quá trình tính toán ,trong quá trình tra sổ tay, sai số khi đo lưu lượng, đồng hồ đo nhiệt (Đồng hồ đo nhiệt độ T l2 sai lớn.) không chính xác đường kính trong của ống có sự sai lệch do thời gian sử dụng.
F Do khi chất lỏng chảy tầng, hệ số truyền nhiệt K nhỏ hơn so với khi chảy rối.
F Quá trình truyền nhiệt thực tế diễn ra không hoàn toàn giống như mô tả của phương trình lý thuyết.