BÁO cáo THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH THIẾT bị đối lưu NHIỆT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------

KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC
BỘ MƠN Q TRÌNH - THIẾT BỊ

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Q TRÌNH - THIẾT BỊ

ĐỐI LƯU NHIỆT

download by :


Bài 7
TRUYỀN NHIỆT ĐỐI LƯU
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM:
I. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THƠ:
Bảng 1.
STT

Các đại lượng đo

Vị trí tấm chảy tràn (inch)
0

1

/4

1

/2

3

/4

1

1 1/4

1 1/2

1

t1 (oC)

31

29

29

29

29

29

29

2

t2 (oC)

99

98

99

97

99

95

97

3

t3 (oC)

79

70

48

54

51

46

47

4

t4 (oC)

95

96

81

94

95

90

89

5

Nhiệt độ theo T3 (oF)

210

210

210

210

210

210

210

6

Nhiệt độ theo T2 (oF)

230

240

220

240

240

240

240

7

Áp suất theo P3 (PSI)

11

11

11

11

11

11

11

8

Áp suất theo P2 (PSI)

10

11.5

11

12

12

12

12

9

Lượng nước ngưng (ml)

39

14

21

17

21

17

12

10

Thời gian đo lượng nước ngưng (s)

60

60

60

60

60

60

65

11

Nhiệt độ nước ngưng t (oC)

77

77

41

64

70

64

57

12

Lượng nước chảy trong ống (ml)

540

540

720

450

560

510

630

13

Thời gian đo nước chảy trong ống (s)

60

60

60

30

30

40

30

II. KẾT QUẢ TÍNH TỐN:
Bảng 2.
STT

Các đại lượng

Vị trí tấm chảy tràn (inch)

đo

0

1

t1 (oC)

31

2

t2 ( C)

3

t3 ( C)

99
79

o
o

1

3

/4

1

1 1/4

1 1/2

29

29

29

29

29

29

98
70

99
48

97
54

99
51

95
46

97
47

1

/4

/2

download by :

4

t4 (oC)

95

96

81

94

95

90

89

5

t'C (oC)

77

77

41

64

70

64

57

6

PS (bar)

1.74

1.74

1.74

1.74

1.74

1.74

1.74

7

tS ( C)

116.05

116.05

116.05

116.05

116.05

116.05

116.05

t 1 +t 3
, oC
2

55

49.5

38.5

41.5

40

37.5

38

t 2 +t 4
, oC
2

97

97

90

95.5

97

92.5

93

97

97

90

95.5

97

92.5

93

8
9

o

tN=

t Vng =

t Vtr ≈ t Vng , oC

10
11
12

t m=

t S +t Vng
, oC
2

106.52
5

106.525 103.025

105.77
5

106.525

104.27
5

104.525

t C=

t S +t ' C
, oC
2

96.525

96.525

78.525

90.025

93.025

90.025

86.525

42

47.5

51.5

54

57

55

55

8.872

8.895

11.914

14.875

18.522

12.663

20.853

0.6213

0.2230

0.3336

0.2707

0.3345

0.2703

0.1762

13

∆ t=t Vtr −t N , K

14

G N .10 ¿

15

GC .10 ¿

3

3

Bảng 3.
Các thông số vật lý

Vị trí tấm chảy tràn (inch)

0

Nước

CPN (J/kg.K)

chảy

.102

trong

(W/mK)

ống

 (kg/m3 )

985.73

.106 (m2 /s)
.104 (1/K)
.103
(Ns/m2 )
Pr
vtr.10

3

/4

1

1

/2

3

/4

1

1 1/4

1 1/2

4.1783

4.1764

4.1744

4.1747

4.1745

4.1742

4.1743

64.36

63.45

62

64.57

63.38

62.16

62.08

988.295 992.815

991.67

992.25

993.18

993

0.5137

0.5607

0.6798

0.6434

0.6611

0.6928

0.6862

4.9

3.935

3.135

4.495

4.6

3.225

3.18

0.5064

0.5541

0.67495

0.638

0.656

0.6881

0.6814

3.288
0.293

3.647
0.293

4.544
0.3165

4.125
0.29785

4.321
0.293

4.621
0.30775

4.582
0.306

download by :

(Ns/m2 )
Nước

CPC (J/kg.K)

ngưng

C.102

tụ

(W/mK)
C (kg/m3 )

4.200

4.200

4.1858

4.1939

4.1964

4.1939

4.1912

68.349

68.349

68.430

68.366

68.349

68.401

68.395

955.8155 955.815 953.232 955.262 955.815

954.155

954.339

C.107

2.8727

2.8727

2.8727

2.8069

2.8143

2.74575

2.74575 2.64075 2.72325 2.74575

2.67825

2.68575

4.2119

4.2119

4.2119

4.2119

4.2119

4.2119

4.2119

68.430

68.430

68.430

68.430

68.430

68.430

68.430

962.8449 962.845 962.845 962.845 962.845

962.845

962.845

(m2 /s)
C.104
(Ns/m2)
CPS (J/kg.K)
S.10

2.8508

2

(W/mK)
S (kg/m3 )

Hơi

2.7703

PrS

1.687

1.687

1.615

1.671

1.686

1.642

1.646

Prvng

1.511

1.511

1.735

1.5891

1.511

1.702

1.688

2212.804

2212.8

2212.8

2212.8

2212.8

2212.8

2212.8

rS.10 (J/kg)
-3

nước
bão
hịa
Bảng 4.

STT

Nhiệt lượng,

Vị trí tấm chảy tràn (inch)

tổ thất nhiệt

0

1

Q1 (W)

1779.3

1523.1

2

Q2 (W)

1425.7

3

Q (W)

4

Q (%)

/4

1

1 1/4

1 1/2

944.9

1552.5

1701.0

898.6

1566.8

511.8

790.7

628.5

772.6

627.7

411.7

-353.6

-1011.3

-154.3

-924.0

-928.5

-270.9

-1155.2

-19.87

-66.40

-16.33

-59.52

-54.58

-30.14

-73.73

1

/4

/2

1

3

Bảng 5.

download by :


Các đại lượng

Cơn
g

Vị trí tấm chảy tràn (inch)
0

/4

1

1

/2

3

/4

1

1 1/4

1 1/2

thức
Trao

Pr

đổi
nhiệt

Tra
bảng

PrVtr

phía

Tra
bảng

3.288

3.647

4.544

4.125

4.321

4.621

4.582

1.511

1.511

1.735

1.5891

1.511

1.702

1.688

1616

1481

1629

2151

2605

1698

2824

971141

976161

nước

Re

(11)

chảy

Gr

trong

NuN

(12b) 2049327 1562689
(12),
9.911
10.091
(13)

ống

(N)TT

(12),

hay

(13)

(tr)TT,

918069

1541181 1576538

11.398

12.116

20.241

11.699

22.015

462.210

463.980

512.093

566.923

929.619

526.981

990.337

1602.70
5

1213.06
2

694.147

1087.65
6

1129.02
0

618.100

1077.76
3

6324.29
0

6324.29
0

5902.92
3

6217.75
0

6324.29
0

6033.39
9

6061.81
5

2472.98
1

887.737

1002.92
4

1010.51
9

1340.09

2

880.769

590.144

5644.29
8

5644.29
8

5261.96
9

5547.79
7

5644.29
8

5380.56
3

5406.36
4

1779.26
8

1523.05
3

944.925

1552.47
2

1701.04
2

898.587

1566.84
0

W/m2 .
K
(N)TT
hay
(tr)TT,
W/m2 .
K
Trao

(C) TT,

đổi

W/m2 .

nhiệt

K

phía

(C) TN,

nước

W/m2.

ngưng

K

tụ

(NuC)

(16)

(7)

(17)

-5
TT.10

Truyề

Q=

(1)

download by :


n nhiệt

Q1, W

tổng

Tlog,

quát

K
KTT,

(10)

57.764

64.389

77.161

73.846

75.517

78.242

77.703

430.73

432.27

471.21

519.55

810.48

484.65

851.26

1165.32
6

894.880

463.301

795.349

852.185

434.490

762.868

430.584

432.120

471.039

519.339

809.968

484.465

850.694

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

(19)

W/m2 .
K
KTN,

(9)

W/m2 .
K
K’TT,

(20)

W/m2 .
K
K’TT/
KTT
III. ĐỒ THỊ:

Dựa vào kết quả tính tốn trong bảng 5 vẽ các đồ thị biểu diễn các mối quan hệ sau:
 NuN = f(Re)

Nu=f(Re)
25.000

Nu_N

20.000
15.000
10.000
5.000
0.000

1616

1481

1629

2151

2605

1698

Re

 Ktt = f(Re)

download by :

2824

Ktt=f(Re)
900.00
800.00
700.00

Ktt

600.00
500.00
400.00
300.00
200.00
100.00
0.00

1616

1481

1629

2151

2605

1698

Re

Các mối tương quan so sánh:

 (N)tt và (N)TN

download by :

2824


(alphaN)TT & (alphaN)TN
1800.000
1600.000
1400.000

alpha

1200.000

(alphaN)tt

1000.000

(alphaN)TN

800.000
600.000
400.000
200.000
0.000

0

1/4

1/2

3/4

Chế độ thí nghiệm

1

1 1/4

1 1/2

 (C)tt và (C)TN

(alphaC)TT & (alphaC)TN
7000.000
6000.000

alpha

5000.000
4000.000

(alphaC)tt
(alphaC)TN"

3000.000

2000.000
1000.000
0.000

0

1/4

1/2

3/4

1

1 1/4

1 1/2

Chế độ thí nghiệm

 Ktt và KTN

download by :


Ktt & Ktn
1400.00
1200.00
1000.00

K

800.00

Ktt
Ktn

600.00
400.00
200.00
0.00

0

1/4

1/2

3/4

1

1 1/4

1 1/2

Chế độ thí nghiệm

IV. BÀN LUẬN
1. Nhận xét kết quả thơ

Ở chế độ thí nghiệm “0”, “1/4”, chênh lệch nhiệt độ tại đầu vào (t1) và nhiệt độ
đầu ra (t3) khá lớn (t > 40). Còn ở các chế độ còn lại, chênh lệch nhiệt độ khơng
q lớn (t ~ 20). Vì ở chế độ thí nghiệm “0” là đối lưu nhiệt tự nhiên nên chênh
lệch nhiệt độ là động lực sự chuyển động của dòng lưu chất.
Nhiệt độ tại thành ngoài ở đầu vào (đầu dưới) và đầu ra (đầu trên) của ống (t2, t4)
ở các chế độ thí nghiệm khơng thay đổi nhiều
Ở chế độ thí nghiệm “0”, lượng nước ngưng lớn hơn nhiều so với các chế độ thí
nghiệm cịn lại.
2. Nhận xét, đánh giá và bàn luận về kết quả tính tốn
2.1. Giải thích tại sao khi thí nghiệm với vị trí tấm chảy tràn ở mức “0” mà
nước trong ống vẫn chảy ra
2.2. Nhận xét về mức độ tổn thất nhiệt
Theo lý thuyết, trong trường hợp có tổn thấy nhiệt thì lượng nhiệt tỏa ra của
hơi nước ngưng tụ luôn lớn hơn lượng nhiệt dịng nước lạnh nhận được. Ở bài
thí nghiệm này, tổn thất nhiệt tổng cộng <0, điều này không phù hợp với lý
thuyết. Nguyên nhân dẫn đến sai khác ở thí nghiệm có thể là do do hơi nước trao
đổi nhiệt với mơi trường bên ngồi trong thiết bị trao đổi nhiệt.
2.3. Nhận xét và giải thích về ảnh hưởng của vị trí tấm chảy tràn lên các hệ số

tr, ng và K

download by :


 (N)TT được tính theo cơng thức:
Nu=

α N d tr α tr d tr
=
λ

λ

Theo lý thuyết, vị trí tấm chảy tràn càng cao → chênh lệch về cột áp càng
lớn → lưu lượng dòng lạnh càng tăng → tốc độ tăng → Re tăng
ℜ=

w d tr
v

Tốc độ dòng tăng → Hiệu quả truyền nhiệt thấp → Nhiệt độ trung bình
của dòng lạnh càng giảm →  tăng → Pr tăng
v C.μ
Pr= =
a
λ

→ Nu càng tăng (công thức 13) → (N)TT càng tăng
→ Nhìn chung, ở chế độ “0”, “1/4”, “1/2”, “3/4”, “1” (N)TT tăng phù hợp
với lý thuyết. Tuy nhiên 2 ch 1 ẳ 1 ẵ li t ngột giảm, sai lệch
này có thể do sai số trong q trình thí nghiệm
 (N)TN được tính theo cơng thức:
α tr =

Q1
(t vtr −t N )F tr

(N)TN phụ thuộc vào thay đổi của Q1 và độ lệch nhiệt độ giữa vách trong
và nhiệt độ trung bình của nước chảy trong ống. Trừ vị trí tấm chảy tràn
đầu tiên (đối lưu tự nhiên ) thì các vị trí tấm chảy tràn càng cao (đối lưu
cưỡng bức) thì độ chênh lệch của tvtr và tN giảm (do hiệu suất truyền

nhiệt giảm) → (N)TN tăng
Trong bài thí nghiệm này, (N)TN lúc tăng lúc giảm không ổn định. Điều
này không đúng với lý thuyết có thể là do sai lệch trong thao tác thí
nghiệm. Đặc biệt ở là hơi dùng để cấp nhiệt là hơi bão hịa nên sẽ có xảy
ra sự ngưng tụ một phần làm ảnh hưởng đến kết quả tính tốn
 (C)TT được tính theo cơng thức:
Nu=

α c d ng α ng d ng
=
λ
λ

 (C)TN tính theo cơng thức:

download by :


α ng=

Q2
(t s−t Vng) F ng

(C)TT, (C)TN tương tự như (N)TT, (N)TN
 Hệ số truyền nhiệt tổng qt
Cơng thức tính:
1
1

K TT =

1
(α ¿ ¿ N )TT +
¿
(α ¿¿ C)TT

¿

Theo lý thuyết, KTT sẽ càng tăng khi (N)TT và (C)TT tăng. Trong bài thí nghiệm
này, vì (N)TT và (C)TT tăng giảm không đều ở các chế độ nên KTT cũng không
ổn định. Nhìn chung thì KTT tăng, chỉ có KTT ở chế độ “1 ½” là giảm đột ngột.
Điều này có thể lý giải là do sai số trong quá trình thí nghiệm
K TN =

Q
Ftr . ∆ t log

Hệ số truyền nhiệt tổng quát thực nghiệm Phụ thuộc vào Q và tlog. Mà tlog
∆ t log =

( t s−t 3 )−( t s−t 1)
ln

t s −t 3
t s −t 1

Ở bài thí nghiệm này tS được lấy theo áp suất P3, mà P3 không thay đổi nên ts
lúc này là hằng số. Nhìn chung, trừ tlog ở chế độ “0” và “1/4” ra, thì ở các chế
độ cịn lại tlog thay đổi không đáng kể. Mà Q1 tăng không đều ở các chế độ,
dẫn đến cuối cùng KTN cũng ko tăng giảm khơng ổn định

2.4. So sánh và giải thích mối tương quan giữa giá trị tính tốn và giá trị thực
nghiệm của hệ số cấp nhiệt phía nước trong ống, phía nước ngưng tụ
ngồi ống và hệ số truyền nhiệt tổng quát
-

Hệ số cấp nhiệt phía nước trong ống
Dựa vào đồ thị 3 → ( α N )TN > ( α N ) TT

-

Hệ số cấp nhiệt phía nước ngồi ống
Dựa vào đồ thị 4 → ( α C )TN < ( α C )TT

-

Hệ số truyền nhiệt tổng quát
Dựa vào đồ thị 5 → K TT < K TN ở chế độ “0”, “1/4”, “3/4” “1”

download by :


K TT >K TN ở chế độ “1/2”, “1 ¼”, “1 ½”

Các giá trị tính tốn của hệ số cấp nhiệt phí nước trong ống và hệ số cấp
nhiệt phía nước ngưng tụ ngồi ống đều ln nhỏ hơn các giá trị thực
nghiệm. Vì ta đã giả sử bỏ qua sự mất mát nhiệt trong quá trình trao đổi
nhiệt nhưng trong q trình tiến hành thí nghiệm thì ln ln tồn tại
tổn thất nhiệt ở những mức độ khác nhau.
Tuy nhiên, giá trị hệ số truyền nhiệt tổng quát tính tốn và thức nghiệm
lại có sự khác biệt ở các chế độ. Điều này có thể giải thích là do sai số

trong lúc thao tác thí nghiệm và làm trịn số trong tính tốn.
2.5. Nhận xét về sự ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống

( )
δV
λV

Hệ số truyền nhiệt tổng quát
1
1

K TT =

1
(α ¿ ¿ N )TT +
¿
(α ¿¿ C)TT

¿

Hệ số truyền nhiệt có kể đến ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống δ V / λ V
1
1

K ' tt =

δV
1
( α ¿¿ N )TT + +
¿

λ V (α ¿¿ C)TT

¿

Theo kết quả thí nghiệm ta thấy K ' tt < K tt nghĩa là hệ số truyền nhiệt có kể
đến ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống lớn hơn hệ số truyền nhiệt tổng quát
Tuy nhiên, ta có thể thấy
K ' tt
=
K tt

1
≈1
δV
1+ K tt
λV

Vậy có thể kết luận, nhiệt trở của thành ống có ảnh hưởng khơng đáng kể
theo khoảng cách vủa vạch chảy tràn và vị trí cao nhất của ống dẫn nước
lạnh
2.6. Nhận xét về độ tin cậy của kết quả thí nghiệm, ước lượng sai số và nêu
những nguyên nhân dẫn đến sai số
a. Độ tin cậy của kết quả thí nghiệm

download by :


Độ tin cậy của kết quả thí nghiệm khơng cao. Vì bài thí nghiệm này u cầu
phải tiến hành ở chế độ truyền nhiệt ổn định. Có nghĩa là các thơng số sẽ
được đo và tính tốn theo truyền nhiệt ổn định. Nhưng trên thực tế, các quá

trình truyền nhiệt đều diễn ra ở chế độ không ổn định. Mặt khác, hơi cấp
nhiệt là hơi bão hịa nên có thể bị ngưng tụ một phần trong quá trình di
chuyển đến buồng trao đổi nhiệt. Chưa kể, trong lúc thí nghiệm có thể có
những sai số do người thí nghiệm chọn sai thời điểm ổn định để đo các đại
lượng hoặc là do hệ thống hoạt động có vấn đề.
b. Ước lượng sai số
(N)TT
(N)TN

462.210
1602.705

463.980
1213.062

512.093
694.147

566.923
1087.656

929.619
1129.02

526.981
618.100

990.337
1077.763

(C) TT
(C) TN

6324.290
2472.981

6324.290
887.737

5902.92
1002.92

6217.75
1010.52

6324.29
1340.09

6033.4
880.769

6061.815
590.144

KTT
KTN

430.73
1165.326

432.27
894.880

471.21
463.301

519.55
795.349

810.48
852.185

484.65
434.490

851.26
762.868

Sai số

246.748

Sai số

-60.897

Sai số

170.547

-

161.447

-85.963

107.020

35.551

-83.010

-1.679

91.852

-83.748

53.084

21.450

-78.810

5.145

17.291

-85.402

8.828

-10.350

-90.265

-10.384

Ở bảng N, ta thấy sai số đều dương → giá trị thực nghiệm lớn hơn các
giá trị tính tốn

-

Ngược lại, Ở bảng C, sai số là số âm → giá trị tính toán lớn hơn các
giá trị thực nghiệm

-

Ở bảng K, sai số lúc âm lúc dương khơng đều

→ Nhìn chung các giá trị sai số giữa tính tốn và thực tế rất lớn → Mức độ
tin tưởng của thí nghiệm khá thấp
c. Những nguyên nhân dẫn đến sai số
-

Các giá trị hiện trên đồng hồ hiện số dao động nhanh → đọc các giá trị
khơng cùng lúc

-

Giá trị N được tính toán ở chế độ chảy màng (Re < 2300), tuy nhiên
trong thí nghiệm này, ở chế độ “1” và “1 ½” lại ở chế độ chuyển tiếp
(2300 < Re < 10 000)

download by :


-

Do hệ thống hoạt động không ổn định

-

Sai số trong q trình vận hành, đọc các thơng số thí nghiệm

-

Sai số trong q trình tính tốn, tra bảng …

download by :


V. PHỤ LỤC
1. Tính tốn cho bảng 3
-

Chuyển đổi đơn vị nhiệt độ, áp suất, tính tốn lưu lượng nước
5 o
o
t C= (t F−32)

9
1 PSI =0.069 ¯¿
1 at =0.981 ¯
¿

-

Các giá trị áp suất đo được qua áp kế P3 xác định được nhiệt độ ts theo bảng tra
cứu quá trình thiết bị cơ học – truyền nhiệt – truyền khối

-

Lưu lượng thể tích:
GV =

V
t

V thể tích nước đo được (m3)
t thời gian đo (s)
-

Lưu lượng khối lượng
G=GV . ρ=

V
.ρ
t

2. Tính tốn cho bảng 4

Các thơng số vật lý tham gia trong q trình tính tốn gồm có
-

Các thơng số vật lý của nước chảy trong ống: CPN, , , v, , Pr, , Vtr
Được xác định ở nhiệt độ trung bình của nước chảy trong ống:
tN=

t 1 +t 2
2

Riêng Vtr được xác định ở nhiệt độ t Vtr ≈ t Vng
-

Các thông số của nước ngưng tụ ở áp suất thí nghiệm CPC, C, C, vC, C, CPS,
S, S, PrS, Prvtr
Các thơng số có chữ “c” xác định ở nhiệt độ trung bình t m=

t s+ t Vng
2

Các thơng số có chữ “s” xác định ở nhiệt độ ts
Các thơng số có chữ “vng” xác định ở nhiệt độ được xác định ở nhiệt độ tVng
-

Các thông số vật lý của hơi nước bão hịa ở áp suất thí nghiệm rs được xác định
ở nhiệt độ ts của hơi nước bão hòa

download by :

3. Tính tốn cho bảng 5
-

Nhiệt lượng Q1 được tính theo cơng thức (1)

-

Nhiệt lượng Q2 được tính theo cơng thức (2)

-

Tổn thất nhiệt: ∆ Q=Q2−Q1

-

Tỷ lệ tổn thất nhiệt:
∆ Q ( % )=

∆Q
× 100 %
Q1

4. Tính tốn cho bảng 6
Các thơng số được tính tốn theo cơng thức

download by :


VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] V. P. Isachenco, V. A. Osipova, A. S. Sukomel, “Heat transfer”, Moscow, 1977.

[2] Phạm Văn Bơn, Nguyễn Đình Thọ, “Q trình và thiết bị truyền nhiệt”, ĐHBK
Tp. HCM, 1992.
[3] Hồng Đình Tín, “Truyền nhiệt và tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt”. ĐHBK. Tp.
HCM, 1996.

download by :