thí nghiệm truyền nhiệt ống lồng ống

TRÍCH YẾU1 Mục đích thí nghiệm: - Làm quen với thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống, các dụng cụ đo nhiệt độ và lưu lượng lưu chất.. - Xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nh

I. TRÍCH YẾU

1) Mục đích thí nghiệm:

- Làm quen với thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống, các dụng cụ đo nhiệt độ và lưu lượng lưu chất

- Xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt giữa hai dòng lạnh, nóng, qua vách ngăn kim loại, ở các chế độ chảy khác nhau

- Thiết lập cân bằng nhiệt lượng

2) Phương pháp thí nghiệm:

Tiến hành các thí nghiệm với các loại ống khác nhau (ống B và ống C) với chế độ dòng chảy khác nhau Cụ thể như sau:

- Với mỗi loại ống, ta làm thí nghiệm với nhiều giá trị của lưu lượng dòng nóng

- Ứng với mỗi giá trị dòng nóng ta đo các giá trị dòng lạnh

- Đọc nhiệt độ của các dòng ra, vào ứng với từng trường hợp cụ thể

3) Kết quả:

- Từ kết quảnhiệt độ dòng nóng, dòng lạnh đầu vào, đầu ra này ta tính được giá trị nhiệt lượng Q, tổn thất nhiệt ΔQ, giá trị Δtlog, hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm Kl1, Kl2 ứng với dòng nóng, dòng lạnh, hệ số cấp nhiệt α1, α2 ở vách trong, ngoài của ống truyền nhiệt

- Ta tính được hệ số Re của dòng chảy, hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết Kl* và lập bảng kết quả tính Kl1, Kl2 và Kl* theo chế độ chảy Re

- Sau cùng, ta dựng được đồ thị Kl*, Kl1, Kl2 theo Re

4) Nhận xét:

- Nhiệt độ trung bình dòng lạnh ở ống C gần bằng

so với nhiệt độ trung bình dòng lạnh ở ống B

- Nhiệt độ trung bình dòng lạnh ở ống C cao hơn từ

9 ÷ 10 độ so với nhiệt độ trung bình ở ống B

• Qua nhận xét sơ bộ trên, ta thấy khi cho cùng một dòng nước nóng (ở 100oC) và dòng nước lạnh (ở

38oC) chảy qua hệ thống ống B và C, thì ở ống C việc trao đổi nhiệt diễn ra kém hiệu quả hơn so với ống B (biểu hiện kết quả nhiệt độ trung bình

dòng lạnh vào ống C và B gần bằng nhau, trong khi nhiệt độ trung bình dòng nóng ở ống C lại cao hơn so với ống B)

• Về ảnh hưởng chế độ chảy Re lên hệ số truyền nhiệt dài ở ống B và C sẽ được phân tích qua các bảng đồ thị sau

II. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM:

Quá trình truyền nhiệt trong thiết bị dạng ống lồng ống là một ví dụ của sự truyền nhiệt phức tạp: sự trao đổi nhiệt giữa hai lưu chất được ngăn cách bởi vách ngăn kim loại bao gồm:

− Truyền nhiệt đối lưu từ dòng nóng đến vách

− Dẫn nhiệt qua thành ống kim loại

− Đối lưu nhiệt giữa dòng lạnh với thành ống

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

Q = G1C1(tv1 – tR1) = G2C2(tR2 - tv2), W

G1, G2: lưu lượng dòng nóng và lạnh, kg/s

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

tv1, tR1: nhiệt độ vào và ra của dòng nóng, 0C

tv2, tR2: nhiệt độ vào và ra của dòng lạnh, 0C

2. Phương trình biễu diễn quá trình truyền nhiệt:

Q = Kl.∆tlog.L

L: chiều dài ống, m

Kl: hệ số truyền nhiệt dài, W/m.K

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

3. Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit:

N L

N L

t t

t t

t

∆

∆

∆

−

∆

=

∆

log

log

4. Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết, Kl* :

b

b ng tr

ng tr

l

d

r d d

d d

K

+ +

+

=

2 1

*

1 ln

2

1 1

α λ

α

π

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

λ: hệ số dẫn nhiệt của ống, W/mK.

rb: nhiệt trở của lớp cáu

db: đường kính lớp cáu, m

5. Hệ số cấp nhiệt α1, α2 giữa vách ngăn và dòng lưu chất:

R l v

n m

A

25 ,

Pr

Pr Pr

Re

.









=

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

Chế độ chảy 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) Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm:

− Hệ thống thiết bị thí nghiệm có 3 kiểu kết cấu bề mặt truyền nhiệt:

 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 chảy có phương vuông góc nhau

 Kiểu C: Loại ống lồng ống đơn giản, lưu chất chảy dọc bề mặt ngoài của ống trong, hai dòng chảy có phương song song nhau

− Nồi đun nước có các điện trở gia nhiệt

− Bơm nước lên hệ thống ống

− Các loại van

− Lưu lượng kế phao

− Dụng cụ đo nhiệt độ

− Kích thước ống:

Kiểu ống Đường kính ( mm ) Chiếu dài ( mm )

Ống trong

Ống ngồi

B Φ

14/16 Φ26/28 925

14/16 Φ26/28 1000 2) Phương pháp thí nghiệm:

• Chuẩn bị:

- Làm quen với hệ thống thiết bị, tìmhiểu các van và tác dụng của nó

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

- Làm quen với thiết bị đo lưu lượng và cách điều chỉnh lưu lượng

- Xác định các đại lượng cần đo

- Đo lưu lượng dòng nóng, dòng lạnh, nhiệt độ ở các vị trí cần thiết

- Lập bảng ghi kết quả đo

• 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

- Trong lúc chờ nước đạt nhiệt độ cần thiết, tìm hiểu đường đi của các dòng trên hệ thống thí nghiệm và các van 2 chiều I và II (mặc định bài này van I cố định)

- Khi nước sôi, bắt đầu tiến hành thí nghiệm

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

- Đóng cầu dao P1 để khởi động bơm, bơm dòng nóng vào hệ thống thiết bị thí nghiệm Muốn khảo sát ống nào ta mở van chặn tương ứng ở đầu vào dòng nóng (VN1, VN2, VN3, VN4, VN5) và đầu ra dòng lạnh (VL1, VL2, VL3, VL4, VL5) của ống đó Khóa tất cả các van khác lại

- Đóng từ từ van V3 để điều chỉnh lưu lượng của dòng nóng (hoàn lưu một phần dòng nóng về lại nồi đun)

- Chú ý rằng dòng nóng được đo liên tục và được hoàn lưu để ta có thể điều chỉnh lưu lượng của dòng nóng.Do chỉ có một lưu lượng kế nên ta 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 dòng lạnh)

- Chú ý: Khi đổi chiều van II cần đổi chiều cả van III và van IV hướng các dòng tránh gây hư hỏng các R hay ảnh hưởng tới các giai đoạn của thí nghiệm

- Ghi các đại lượng cần đo khi quá trình ổn định hoàn toàn

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

- Trong bài này, ta chỉ đo giá trị ở ống B và ống C.

ơ đồ thí nghiệm

3N 9N 11

4N 6N 8N 10

2L 3L 4L 5L

V V V V

V V V V

1S 2S

Dòng

Dòng

1 Tổn thất nhiệt có đáng kể không Tại sao?

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 lượng truyền cho ống làm ống nóng lên

− Tại những vị trí dòng nóng chảy không có dòng lạnh bao quanh có tổn thất do quá trình truyền nhiệt từ dòng nóng qua ống đến môi trường xung quanh do không có bọc lớp cách nhiệt

− Trên đường ống do lâu ngày có đóng cặn bẩn cũng góp phần làm tổn hao nhiệt lượng

− Tổn thất nhiệt qua các van do van bị rò rỉ sau một thời gian sử dụng

− Sai số khi đọc nhiệt độ trong quá trình thí nghiệm làm kết quả tính toán không chính xác

− Sự mất mát nhiệt dọc chiều dài ống Đường đi càng dài lượng nhiệt tổn thất càng nhiều Đường ống làm bằng đồng không bọc lớp cách nhiệt nên sự tổn hao nhiệt ra môi trường xung quanh cũng nhiều hơn so với những vật liệu khác

− Ở đây, sự mất mát nhiệt ở dòng lạnh không đáng kể Vì tuy có sự truyền nhiệt nhưng nhiệt độ dòng lạnh tăng không đáng kể nên chênh lệch nhiệt độ với ống cũng không đáng kể có thể bỏ qua

2 Mức độ sai số, nguyên nhân gây ra sai số trong lúc làm thí nghiệm? Biện pháp khắc phục?

a. Nguyên nhân gây ra sai số trong quá trình thí nghiệm:

− Sai số do xác định lưu lượng dòng nóng và lạnh: lưu lượng dòng nóng và dòng lạnh dù đã được điều chỉnh cũng không đạt được trạng thái ổn định tuyệt đối, có lẫn nhiều bọt khí

− Sai số do quá trình đọc nhiệt độ: đọc nhiệt độ không cùng thời điểm (chưa có sự cân bằng nhiệt lượng), nhiệt độ không ổn định

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

− Sai số do sự rò rỉ lưu lượng chất lỏng trong hệ thống ống: tại những vị trí ống nối, van không kín chảy nước ra ngoài làm giảm lưu lượng

− Sai số do các ống không được bọc lớp cách nhiệt gây thất thoát nhiệt do sự trao đổi nhiệt giữa ống với môi trường bên ngoài

− Sai số khi chỉnh van II thay đổi chiều dòng chảy để đo lưu lượng: chỉnh van không hợp với ống góc 450, dòng chảy không được đổi hướng hoàn toàn, một phần dòng nóng sẽ hòa trộn với dòng lạnh gay tổn thất nhiệt

− Sai số do nước thí nghiệm không là nước tinh khiết nhưng các thông số được dùng trong tính toán là của nước tinh khiết

− Sai số hệ thống do dụng cụ đo không chính xác

− Bỏ qua ảnh hưởng của lớp bẩn trên thành ống

b. Ảnh hưởng của sai số đến sự khác biệt giữa kết quả thực nghiệm và lý thuyết:

− Dẫn đến sai số dây chuyền trong quá trình tính toán

− Từ nhiệt độ đọc ta suy ra ∆tlog Do có sai số dẫn đến Kl, Q sai do:

Kl =

L

t

Q

.

log

∆

Q = G.C.∆t

− Nhiệt độ đọc sai > tra hệ số λ sai > tính α sai > sai hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết Kl*

− Đồng thời khi tra khối lượng riêng không chính xác dẫn đến sai số khi tính Re làm mất tính chính xác của giản đồ

c.Biện pháp khắc phục:

− Thao tác thí nghiệm phải chính xác, chỉnh van II phải đúng và lúc chỉnh phải ấn vào để nước không rò rỉ ra ngoài Có thể tiến hành thử nhiều lần cho thuần thục trước khi thí nghiệm chính thức

− Để đồng hồ đo nhiệt độ, lưu lượng kế đã ổn định mới đọc, đọc chính xác số liệu bằng cách đọc giá trị trung bình trên đồng hồ đo

− Nước dùng trong quá trình thí nghiệm càng sạch càng tốt

− Kiểm tra vị trí các van trước khi làm thí nghiệm

− Thường xuyên vệ sinh đường ống

− Tiến hành thí nghiệm lặp lại nhiều lần đề tìm ra giá trị chính xác nhất với sai số nhỏ nhất

3 So sánh hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm Kl

với hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết Kl* :

− Ở đây Kl và Kl* không giống nhau

− Nguyên nhân:

b

b ng tr

ng tr

l

d

r d d

d d

K

+ +

+

=

2 1

*

1 ln

2

1 1

α λ

α

π

 Bỏ qua giá trị b

b

d r

: không xác định được bề dày của lớp cáu (bẩn) và những ảnh hưởng của nó đối với quá trình truyền nhiệt (bỏ qua b

b

d r

K sẽ lớn)

 Xác định hệ số dẫn nhiệt # cho ống bằng đồng đỏ nguyên chất nhưng thực tế nguyên liệu làm ống dẫn không nguyên chất

 Các giá trị á xác định được luôn mắc phải sai số do tính toán nhiệt độ vách, nhiệt độ lưu chất để xác định các chuẩn số Nu, Pr

 Nhiệt lượng tổn thất vẫn chưa bù nổi sai số trong quá trình làm thí nghiệm

 Ở đây quá trình truyền nhiệt là phức tạp nhưng khi tính toán chỉ kể đến những ảnh hưởng chính chẳng hạn bỏ qua sự đối lưu tự nhiên trong dòng chảy màng ở ống B dẫn đến sai số cao