BÁO CÁO THỰC HÀNH THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT: THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG

Báo cáo thực hành truyền nhiệt:NGUYỄN MINH TIẾN
SVTH:TRẦN VĂN THƠI

Bài 4. THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG – HT36

4.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
- Khảo sát q trình truyền nhiệt khi đun nóng hoặc làm nguội gián tiếp giữa 2
dịng qua một bề mặt ngăn cách.
- Tính tốn hiệu suất toàn phần dựa vào cân bằng nhiệt lượng ở những lưu lượng
dòng khác nhau.
- Khảo sát ảnh hưởng của lưu, kích thước thiết bị đến q trình truyền nhiệt.
- Khảo sát ảnh hưởng của chiều chuyển động lên quá trình truyền nhiệt trong 2
trường hợp xuôi chiều và ngược chiều.
- Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị từ đó so sánh với kết
quả tính tốn theo lý thuyết KLT

1


Báo cáo thực hành truyền nhiệt:NGUYỄN MINH TIẾN
SVTH:TRẦN VĂN THƠI
4.2 THỰC NGHIỆM
4.2.1 Kết quả thí nghiệm
Bảng 4.1:Thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống.
TN

Vn
(lit/ph)

V l (lit/ph) Tnv (oC)

Tnr (oC)

Tlv (oC)

Tlr (oC)

1

8

8

69

60

27

34

2

8

10

67

57

29

34

3

8

13

65

54

30

34

4

8

16

62

51

32

34

5

10

8

67

58

27

35

6

10

10

64

56

31

35

7

10

13

63

54

32

35

8

10

16

61

53

33

35

9

13

8

63

56

29

35

10

13

10

62

55

31

35

11

13

13

60

53

32

35

12

13

16

59

51

33

35

13

16

8

68

62

28

35

14

16

10

65

59

30

35

15

16

13

62

55

32

35

16

16

16

59

52

33

35

4.2.2 Các cơng thức tính tốn
Độ biến thiên nhiệt độ dịng nóng ,dịng lạnh :
∆TN = Tnóng vào (T1)

Tnóng ra (T2)

∆TL = Tlành ra (T4) Tlạnh vào (T3)

Hiệu suất nhiệt độ quá trình truyền nhiệt :
2

Báo cáo thực hành truyền nhiệt:NGUYỄN MINH TIẾN
SVTH:TRẦN VĂN THƠI

ηN = .100%
ηL = .100%
ηhi =
-

Nhiệt lượng do dịng nóng toả ra : QN = GNCN∆TN
Nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào : QL = GLCL∆TL
GN = VN..ρ
GL = VL..ρ

với, ρ có thể tính bằng cách tra bảng“ BẢNG TRA CỨU QTCHTN-TK” bằng pp
nội suy
với CN có thể tính bằng cách tra bảng “ BẢNG TRA CỨU QTCHTN-TK” bằng
pp nội suy
-

Nhiệt tổn thất : Qf = QN –QL

-

Hiệu suất quá trình truyền nhiệt :

-

Hiệu số nhiệt độ hữu ích : ∆tlog =

Trường hợp hai lưu thể xuôi chiều :

η = .100%

∆tmax = Tnóng vào - Tlạnh vào
∆tmin = Tnóng ra - Tlạnh ra
-

Trường hợp 2 lưu thể chảy ngược chiều :

∆t1 = Tnóng vào - Tlạnh vào
∆t2 = Tnóng ra - Tlạnh ra

Nếu ∆t1 > ∆t2 thì ∆t1 = ∆tmax và ∆t2 = ∆tmin
3


Báo cáo thực hành truyền nhiệt:NGUYỄN MINH TIẾN
SVTH:TRẦN VĂN THƠI
Nếu ∆t1 < ∆t2 thì ∆t2 = ∆tmax và ∆t1 = ∆tmin
-

Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm : KTN =
F = .dtb.L
dtb =
di , d0 : đường kính trong và ngồi của ống truyền nhiệt
L: chiều dài ống truyền nhiệt.
Trong bài thí nghiệm: L = 3.2m

-

Hệ số truyền nhiệt lý thuyết đối với tường ống :
KLT =
Nếu

-

2 nên ta có thể tính như tường phẳng

Hệ số truyền nhiệt lý thuyết cho tường phẳng :
KLT =
δ độ dày của ống
hệ số dẩn nhiệt của ống (ở đây là ống thép không rỉ nên lấy 17,5 W/mK)

-

Hệ số cấp nhiệt của dòng lưu chất

α
-

=

Chuẩn số Reynolds (Re)
Re =

W là vận tốc dòng : W =

là đường kính tương đương
ν độ nhớt của dịng lưu chất có thể tra bảng rồi tính bằng pp nội suy

Chuẩn số Prandtl (Pr) ta có thể dùng pp nội suy trong bảng tra “QTCHTN-TK”

4


Báo cáo thực hành truyền nhiệt:NGUYỄN MINH TIẾN
SVTH:TRẦN VĂN THƠI
Chuẩn số Grashoff (Gr)
Gr =
g: gia tốc trọng trường, 9.81m/s2
β: hệ số giản nở thể tích, tra bảng và tính tốn nội suy
∆t: độ chênh lệch nhiệt độ giữa chất lỏng và tường
-

Tính chuẩn số Nusselt

Nếu lưu thế chảy xốy : Nu = 0,021.εK.Re0,8.Pr 0,43 ()0,25
Nếu lưu thế chảy quá độ : Nu = 0,008. εK. Re0,8.Pr 0,43
Nếu lưu thế chảy dòng ; Nu =0,015. εK. Re0,8.Pr 0,43 . Gr0,1 . ()0,25

4.2.3 Xử lí số liệu
Thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống nhiều đoạn
Bảng 4.2 Hiệu suất nhiệt độ
STn
(oC)
9

STl
(oC)
7

nN (%)

nL (%)

nhi (%)

TN
1

21.42857

16.66667

19.04762

2

10

5

26.31579

13.15789

19.73684

3

11

4

31.42857

11.42857

21.42857

4

11

2

36.66667

6.666667

21.66667

6

9

8

22.5

20

21.25

7

8

4

24.24242

12.12121

18.18182

8

9

3

29.03226

9.677419

19.35484

9

8

2

28.57143

7.142857

17.85714

11

7

6

20.58824

17.64706

19.11765

12

7

4

22.58065

12.90323

17.74194

13

7

3

25

10.71429

17.85714

14

8

2

30.76923

7.692308

19.23077

16

6

7

15

17.5

16.25

5


Báo cáo thực hành truyền nhiệt:NGUYỄN MINH TIẾN
SVTH:TRẦN VĂN THƠI
17

6

5

17.14286

14.28571

15.71429

18

7

3

23.33333

10

16.66667

19

7

2

26.92308

7.692308

17.30769

Bảng 4.3 Hiệu suất truyền nhiệt
Gn (kg/s)

Gl
(kg/s)

Qn
(w)

1

0.130782

0.132737

4920.026

3883.897

1036.129

78.94058

2

0.130962

0.165871

5474.216

3466.712

2007.504

63.32801

3

0.131137

0.215599

6029.681

3604.821

2424.86

59.78461

4

0.13134

0.265269

6039.017

2217.649

3821.369

36.72201

6

0.163658

0.132717

6156.819

4438.071

1718.749

72.08382

7

0.163878

0.165793

5480.083

2772.061

2708.022

50.58428

8

0.164007

0.215496

6169.942

2702.322

3467.62

43.79817

9

0.164133

0.265183

5488.623

2216.926

3271.697

40.3913

11

0.213098

0.132677

6235.238

3327.527

2907.711

53.36648

12

0.213209

0.165793

6238.497

2772.061

3466.436

44.43475

13

0.213428

0.215496

6244.893

2702.322

3542.571

43.27251

14

0.213588

0.265183

7142.379

2216.926

4925.453

31.03904

16

0.261491

0.132697

6558.2

3882.718

2675.482

59.20402

17

0.261924

0.16582

6569.059

3465.629

3103.43

52.75685

18

0.262411

0.215496

7678.15

2702.322

4975.828

35.19496

19

0.262812

0.265183

7689.882

2216.926

5472.956

28.82913

TN

6

Ql ( w )

Qf ( w )

n (% )


Báo cáo thực hành truyền nhiệt:NGUYỄN MINH TIẾN
SVTH:TRẦN VĂN THƠI

Bảng 4.4. Hệ số truyền nhiệt

TN

t max
(oC)

t min (oC)

e

t log (oC)

Ktn
(W/m^2.K)

αn (W/m^2.K)

αl (W/m^2.K) Klt (W/m^2.K)

1

42

26

0.98

33.36

465.92

3544.18

4860.78954

1163.725919

2

38

23

0.98

29.87

578.92

3492.092873

5857.671196

1206.991707

3

35

20

0.98

26.80

710.72

3463.601251

7251.184126

1253.048166

4

30

17

0.98

22.88

833.62

3406.687278

8636.942591

1280.81877

6

40

23

0.98

30.72

633.20

4187.901266

4895.929597

1227.802914

7

33

21

0.98

26.54

652.13

4135.669339

5940.85111

1279.503021

8

31

19

0.98

24.51

795.25

4105.82653

7360.183688

1331.822043

9

28

18

0.98

22.63

766.18

4090.024318

8727.771335

1368.920367

11

34

21

0.98

26.98

730.16

5089.334308

4944.018884

1298.393524

12

31

20

0.98

25.09

785.27

5064.718108

5956.908881

1357.321314

13

28

18

0.98

22.63

871.75

5032.555217

7380.046434

1417.162684

14

26

16

0.98

20.59

1095.59

4994.152095

8735.615411

1457.435596

16

40

27

0.98

33.07

626.45

6162.256096

4935.492982

1358.103688

17

35

24

0.98

29.15

711.86

6080.086835

5946.945511

1420.346694

18

30

20

0.98

24.66

983.60

5985.285803

7393.265889

1484.200993

19

26

17

0.98

21.18

1146.98

5890.752451

8759.115825

1525.89533

7


Báo cáo thực hành truyền nhiệt:NGUYỄN MINH TIẾN
SVTH:TRẦN VĂN THƠI

4.2.4 Bài tập mẫu.
Xử lí số liệu thí nghiệm 10 :

Nhiệt độ dịng nóng trung bình: Ttbn = 0C
Nhiệt độ dịng lạnh trung bình: Ttbl = 0C
Tra bảng quá trình cơ học - truyền nhiệt - truyền khối ta được các giá trị:
Độ nhớt động học:

νn = 0.61*10-6

(m2/s)

νl = 0.57*10-6 (m2/s)

Nhiệt dung riêng: Cn = 4180 (J/kg.độ) Cl = 4158.50 (J/kg.độ)
Hệ số dẫn nhiệt:

λn =0.637 (W/m.K)

λl =0.635 (W/m.K)

Khối lượng riêng:

ρn =984.04 (kg/cm3)

ρl = 994.76(kg/cm3)

∆TN = T1 – T2 =62 - 55 = 70C,

∆TL= T4 – T3 = 35 – 31= 4 0C

Hiệu số nhiệt độ của các dòng – hiệu suất nhiệt độ quá trình truyền nhiệt:
ηN = = = 22.58 (%)
8


Báo cáo thực hành truyền nhiệt:NGUYỄN MINH TIẾN
SVTH:TRẦN VĂN THƠI

ηL= = = 12.90 (%)
ηhi = = = 17.74 (%)

Lượng chất lỏng nóng và lạnh chảy qua bề mặt trao đổi nhiệt:
GN = (ρV)/60 = 984.04 *0.013/60 = 0.21 (kg/s)

GL = (ρV)/60 =994.76*0.01/60 = 0.16 (kg/s)
Nhiệt lượng dịng nóng tỏa ra:
QN = GNCN∆TN =0.21448*4180 *6 = 6238.49 (W)

Nhiệt lượng dòng lạnh thu vào:
QL = GLCL∆TL = 0.165 *4158.50 *4 = 2772.06 (W)
Nhiệt lượng tổn thất:
Qf = QN –QL = 6238.49 -2772.06 =3466.43 (W)
Hiệu suất của quá trình truyền nhiệt:

η =( QL / QN )*100 = (2772.06 /6238.49)*100 = 44.43 (%)
Hiệu số nhiệt độ trung bình:

∆tmax = T1 – T3 = 62-31 = 31 0C

∆tmin = T2 – T4 = 55-35= 20 0C

Δtlog = = = 25.099 0C
Đường kính trung bình của ống truyền nhiệt:
d = 0.5*(di+do) =0.5*(0.025+0.038) = 0.032 (m)
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt:

9


Báo cáo thực hành truyền nhiệt:NGUYỄN MINH TIẾN
SVTH:TRẦN VĂN THƠI

F = π.d.L = π*0.0315*3.2 = 0.32 (m2)

Hệ số truyền nhiệt theo lý thuyết:
KTN = QN / (F. ∆tlog) = 6238.49/(0.32*25.099) = 785.28 (W/m2K)
Tốc độ dịng nóng và dịng lạnh:

Wn = (m/s)
Wl = (m/s)
Chuẩn số Prandtl:
Prn =

=

Prl =

=

Chuẩn số Reyolds:
Ren =
Rel =
=> Dịng nóng và dịng lạnh chảy xốy.
Ta có tỉ số L/d = 3.2/0.013 = 246.15 >> 50
Nên εk = 1
Để đơn giản ta cho
Chuẩn số Nuselt:
Nun = 0,021.εK.Re0,8.Pr 0,43 ()0,25 = 0.021×1×22226.170.8×3.15630.43×10.25= 103.36
Nul = 0,021.εK.Re0,8.Pr 0,43 ()0,25 = 0.021×1×24395.270.8×4.33940.43×10.25 = 121.95

=

(W/m2k)

=

(W/m2k)

Do tỉ lệ: < 2 nên ta có thể áp dụng phương trình truyền nhiệt của tường phẳng để tính
tốn cho đường ống.

10


Báo cáo thực hành truyền nhiệt:NGUYỄN MINH TIẾN
SVTH:TRẦN VĂN THƠI
KLT =

Trong đó,

==

= 0.0065 (m)

λ là độ dẫn nhiệt của thép λ = 17.5
=> Klt =

= 1357.31 (W/m2K)

4.3 ĐỒ THỊ
4.3.1Truyền nhiệt qua thiết bị ống lồng ống
Quan hệ giữa lưu lượng và hệ số truyền nhiệt KTN

Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt thực nghiệmK TN và lý thuyết KLT

Ảnh hưởng của hiệu suất nhiệt độ trong quá trình truyền nhiệt

11


Báo cáo thực hành truyền nhiệt:NGUYỄN MINH TIẾN
SVTH:TRẦN VĂN THƠI
Ảnh hưởng của hiệu suất trong quá trình truyền nhiệt

4.4.BÀN LUẬN
−

Do đầu dị nhiệt độ báo sai nên ta khơng đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến
các hệ số ηn, ηl và ηhi mà chỉ đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố qua hệ
số truyền nhiệt. Hệ số truyền nhiệt là đại lượng đặc trưng cho nhiệt lượng
truyền từ lưu thể nóng đến lưu thể lạnh qua 1m2 bề mặt tường phẳng trong

−

một đơn vị thời gian khi hiệu số chênh lệch nhiệt độ giữa 2 lưu thể là 1 độ.
Hệ số truyền nhiệt càng lớn thì nhiệt lượng truyền từ lưu thể nóng sang lưu
thể lạnh càng lớn ,nghĩa là hiệu suất truyền nhiệt lớn.

=> Qua đó ta thấy trong trường hợp truyền nhiệt qua ống lồng ống bằng thép
khơng gỉ thì chuyển đơng của hai lưu thể không ảnh hưởng nhiều đến hệ số
truyền nhiệt.
−

Trên đồ thị Ktn cho thấy lưu lượng dòng ảnh hưởng rõ rêt khi các cột biêu
diễn KTN thay đổi liên tục khi lưu lượng thay đổi. Ngươc lai theo lý thuyết lại
khơng như vậy, trong khi đó các chỉ số tăng cao và đồng đều khi lưu lượng
thay đổi

4.4.1. Ảnh hưởng của lưu lượng dịng đến q trình truyền nhiệt:
- Trong cùng một lưu lượng nóng bằng nhau (V N =const), khi tăng lưu lượng
dịng lạnh (Vl = 8,10,13,16 l/phút) thì hệ số truyền nhiệt sẽ tăng dần.
12


Báo cáo thực hành truyền nhiệt:NGUYỄN MINH TIẾN
SVTH:TRẦN VĂN THƠI
4.4.2. Đánh giá sự ảnh hưởng của chiều chuyển động các dịng đến q
trình truyền nhiệt:
- Đối với hệ số truyền nhiệt tính từ thực nghiệm ta nhận thấy K TN lớn hơn KLT.
=> Qua đó ta có thể kết luận, trong trường hợp truyền nhiệt ống lồng ống
Đồng loại thẳng thì chiều chuyển động khơng có liên quan nhiều đến hệ số
truyền nhiệt.
4.4.3. So sánh hệ số truyền nhiệt thực nghiệm với hệ số truyền nhiệt lý
thuyết:
- Trong trường hợp xuôi chiều, ta thấy ở mức lưu lượng V N= 8 l/ph KTN nhỏ
hơn KLT còn ở mức VN =10,13,16 l/ph trở đi thì KLT nhỏ hơn nhiều so với KTN.
- Sở dĩ có sự khác nhau như vậy là vì trong q trình tính tốn K TN chỉ có tính
đến QN và Δtlog mà 2 yếu tố này lại phụ thuộc vào nhiệt độ do các đầu dò báo
về.

KTN =

- Việc đầu dị báo sai chúng ta có thể hiệu chỉnh được. Nhưng Q f mà âm thì
có thể là do q trình truyền nhiệt từ dịng nóng sang dòng lạnh, nhiệt lượng
đã bị mất mát hao tổn ra bên ngồi. Lượng nhiệt tổn thất này khơng thể đo
chính xác. Chính nó đã làm cho việc tính tốn khơng ổn định. Bởi vì khi tăng
lưu lượng dịng lạnh hay lưu lượng dịng nóng càng lớn, nhiệt truyền từ dịng

nóng sang dịng lạnh càng cao, thì lượng nhiệt tổn thất này cũng tăng lên
nhanh chóng. Có thể thấy rõ trên đồ thị tại các mức lưu lượng
10,13,16 l/ph hệ số truyền nhiệt khơng có chênh lệch nhiều so với

VL =
V L= 8

l/ph, trong khi đó đường hệ số truyền nhiệt lý thuyết có sự tăng vọt của
VL=10,13,16 l/ph so với VL=8 l/ph.
- Trong q trình tính tốn KLT thì ta sẽ đi tính các chuẩn số đồng dạng như
Nusselt, Reynolds, Prandlt, Grashoff để tính hệ số cấp nhiệt của dịng nóng
αN và của dịng lạnh αL. Ta nhận thấy αN của dịng nóng có giá trị xấp xỉ bằng
nhau ở cùng một mức lưu lượng VN và tăng lên khi VN tăng. Đối với αL của
dịng lạnh thì tăng dần khi VL tăng hoặc VN tăng, điều này
được giải thích là do VL tăng dẫn đến vận tốc dòng lạnh tăng dẫn đến Re
tăng dẫn đến Nusselt tăng tỷ lệ thuận với α L. Hơn nữa ở mức VL= 8 l/ph,
13


Báo cáo thực hành truyền nhiệt:NGUYỄN MINH TIẾN
SVTH:TRẦN VĂN THƠI
dòng lạnh chủ yếu là chảy xoáy Re >10000 , nên có α L thấp nhất khi áp dụng
cơng tính chuẩn số Nusselt.
Ta thấy rằng hệ số cấp nhiệt αL của dịng lạnh lớn hơn hẳn αN dịng nóng. Có
nghĩa là dịng lạnh nhận được lượng nhiệt từ nguồn nóng trong một đơn vị
thời gian là rất lớn và khả năng cấp nhiệt của dịng nóng là chưa tương xứng
với dịng lanh.
4.4.4 Một vài nhận xét về thiết bị:
- Thiết bị truyền nhiệt loại đường ống sử dụng trong bài thí nghiệm này có thể
sử dụng được cho nhiều loại ống khác. Khảo sát quá trình truyền nhiệt trong

hai trường hợp chảy xuôi chiều và chảy ngược chiều.
- Thiết bị dễ tháo lắp dễ dàng khi thay bộ phận, nhưng một vài chỗ cịn khiếm
khuyết như khơng có bộ phận cách nhiệt giữa nồi đun với mơi trường bên
ngồi, khơng có bộ phận cách nhiệt với giữa đường ống với môi trường bên
ngoài để giảm tối thiểu nhiệt tổn thất, bộ điều khiển sử dụng là loại ON-OFF
nên độ trễ thời gian lớn, đầu dò nhiệt độ hay đo sai, vị trí đặt đầu dị khơng
chính xác. Để cải thiện những điều này thì khó thực hiện, cần phải có thêm
thời gian và công sức.

14