Giáo trình thực hành máy và quá trình thiết bị ( hệ trung cấp ) - Bài 2 potx

Khoá Hóa Giáo trình thực hành Quá trình và thiết bò
10
BÀI 2. TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG
I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
Làm quen với thiết bò truyền nhiệt dạng ống lồng ống, các dụng cụ đo nhiệt độ và
lư u lư ợng lư u chất.
Xác đònh hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt giư õa hai dòng lạnh nóng
đư ợc ngăn cách bởi vách ngăn kim loại ở các chế độ chảy khác nhau.
Thiết lập phư ơng trình cân bằng nhiệt lư ợng .
II. LÝ THUYẾT
Truyền nhiệt trong thiết bò dạng ống lồng ống là sư ï truyền nhiệt phư ùc tạp
giư õa hai lư u chất đư ợc ngăn cách bởi vách ngăn kim loại. Phư ơng thư ùc truyền
nhiệt ở đây là truyền nhiệt đối lư u tư ø vách ngăn đến lư u chất (và ngư ợc lại) và dẫn
nhiệt qua thành ống kim loại.
Nhiệt lư ợng do dòng nóng tỏa ra:
Q
N
= G
1
C
1
(t
v1
– t
R1
)
Nhiệt lư ợng do dòng lạnh nhận vào
Q
L
= G
2

C
2
(t
R2
– t
v2
)
Tư ø dó ta thành lập phư ơng trình cân bằng nhiệt lư ợng
Q
N
= Q
L
 G
1
C
1
(t
v1
– t
R1
) = G
2
C
2
(t
R2
– t
v2
) (1)
Trong đó:

G
1
, G
2
- Lư u lư ợng dòng nóng và dòng lạnh, kg/s
C
1
, C
2
- Nhiệt dung riêng của lư u chất, J/kg.độ
t
v1
, t
R1
- Nhiệt độ vào vàra của dòng nóng,
0
C
t
v2
, t
R2
- Nhiệt độ vào và ra của dòng lạnh,
0
C
Quá trình truyền nhiệt đư ợc biểu diễn bởi phư ơng trình:
Q = K
l
*
.t
log

.L (2)
Trong đó:
L - Chiều dài ống, m
K
l
*
- Hệ số truyền nhiệt dài theo thư ïc nghiệm, W/m
2
.độ
t
log
– hiệu số nhiệt độ trung bình giư õa hai dòng lư u chất,
0
C
n
Δt
l
Δt
ln
n
Δt
l
Δ
log
Δt


t
(3)
Khoá Hóa Giáo trình thực hành Quá trình và thiết bò

11
Nếu
2
N
Δt
L
Δt

thì hiệu số nhiệt độ trung bình của hai dòng lư u chất có thể đư ợc
tính theo công thư ùc:
2
N
Δt
L
Δt
tb
Δt
log
Δt


Hệ số truyền nhiệt dài tính theo lý thuyết K
l
:



b
d
b

r
ng
d
2
1
tr
d
ng
d
.ln
2
1
tr
d
1
1
l
K
αλα
Π
(4)
Trong đó:
d
ng
, d
tr
- Đư ờng kính ngoài và đư ờng kính trong của ồng truyền nhiệt, m
.
 - hệ số dẫn nhiệt của kim loại làm ống, W/m.độ.
d

b
- Đư ờng kính lớp bẩn bám trên thành ống, m.
r
b
– hệ số trở nhiệt của cặn bẩn, m
2
.độ/W

1
, 
2
- hệ số cấp nhiệt giư õa vách ngăn và các dòng lư u chất đư ợc tính
tư ø chuẩn số Nu.
R
.E
l
.E
0,25
)
rt
P
r
P
(
n
r
.P
m
e
A.RNu 

Các hệ số A, m, n, E
l
, E
R
là các hệ sốthư ïc nghiệm phụ thuộc vào các yếu tố:
Chế độ chảy của dòng lư u chất.
Sư ï tư ơng quan giư õa dòng chảy và bề mặt truyền nhiệt.
Đặc điểm bề mặt truyền nhiệt bao gồm độ nhám, hình dạng…
III. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
Hệ thống thiết bò thí nghiệm có 3 loại ống với kiểu kế cấu bề mặt truyền nhiệt
như sau:
 Kiểu ống A: Loại ống có cánh tản nhiệt.
 Kiểu ống B: Loại ống lồng ống mà lư u chất chảy ngang mặt ngoài của
ống trong.
t
v1
t
v1
t
R1
t
v1
t
R2
t
v1
t
v2
t
v1

t
N
t
v1
t
L
t
v1
Hình 1
Nếu hai dòng lư u chất chuyển
động ngư ợc chiều thì t
L
và
t
N
đư ợc tính như hình 1.
Trong đó
t
L
= t
v2
– t
R1
t
N
= t
R2
– t
v1
Khoá Hóa Giáo trình thực hành Quá trình và thiết bò

12
 Kiểu ống C: Loại ống lồng ống đơn giản, lư u chất chảy dọc bề mặt của
ống trong
Kích thư ớc các loại ống truyền nhiệt cho trong bảng 1
Bảng 1: Kích thước các loại ống truyền nhiệt trong bài thí nghiệm
Kiểu ống
Đư ờng kính ống
trong, mm
Đư ờng kính ống
ngoài, mm
Chiều dài, mm
A
10,7/12,7
26/28
1000
B
14/16
26/28
1000
C
14/16
26/28
1000
IV. TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM:
Mở van 1 cho nư ớc vào thùng D khoảng 2/3.
Bậc công tắc điện trở F, đun nư ớc cho tới lúc sôi.
Đối với bài thí nghiệm này ta cố đònh lư u lư ợng dòng lạnh và cho thay đổi dòng
nóng để xét sư ï trao đổi nhiệt giư õa hai dòng lư u chất.
1. Đối với ống B:
Điều chỉnh dòng lạnh:

Mở hoàn toàn van 2 và 6
/
để đảm bảo rằng nư ớc có thể hoàn lư u lại thùng chư ùa.
Đóng 3 van nóng 9
N
, 10
N
, 11 và mở 3 van lạnh 9
L
, 10
L
, 12.
Mở bơm lạnh B
L
và mở van 8 để dòng lạnh vào ống B.
Đóng hoàn toàn van 12 và điều chỉnh van 6
/
để lư ợng nư ớc qua lư u lư ợng kế là 8
l/phút.
Mở lại van 12 đồng thời đóng hai van 9
L
, 10
L
để không cho dòng lạnh chảy qua
lư u lư ợng kế. Lư u ý rằng dòng lạnh chảy qua ống B lúc này là 8 l/phút.
Điều chỉnh dòng nóng:
Mở 3 van nóng 9
N
, 10
N

, 11.
Mở van 4 và đóng hai van 3, 5 để dòng nóng chảy vào ống B.
Bậc bơm B
N
sau đó đóng van 11 lại. Điều chỉnh van 4 cho nư ớc qua lư u lïng kế
là 4 l/phút.
Đợi khoảng 2 phút, sau đó đo nhiệt độ đầu vào và ra của 2 dòng lư u chất ư ùng với
các nút trên thiết bò đo nhiệt độ.
Tiếp tục điều chỉnh van 4 để tăng lư u lư ợng dòng nóng lên 8 và 12 l/phút, đo nhiệt
độ đầu vào và ra tư ơng tư ï như trên.
Tắt bơm nóng B
N
.
2. Đối với ống C
Đóng ba van nóng 9
N
, 10
N
, 11 và mở lại ba van lạnh 9
L
, 10
L
, 12.
Mởvan 7 và đóng van 8 để cho dòng lạnh chảy qua ống C.
Khoá Hóa Giáo trình thực hành Quá trình và thiết bò
13
Đóng van 12 lại và điều chỉnh van 6
/
để nư ớc chảy qua lư u lư ợng kế G là 8 l/phút.
Đóng 3 van nóng 9

N
, 10
N
, 11 và mở 3 van lạnh 9
L
, 10
L
, 12.
Các bư ớc còn lại hoàn toàn tư ơng tư ï như đối với ống B.
3. Đối với ống A
Do ống A chỉ có dòng nóng chảy qua nên các bư ớc thí nghiệm SV làm tư ơng tư ï
như trên.
Các kết qủa thí nghiệm có thể lập vào bảng 2:
Bảng 2: Kết qủa thí nghiệm
Nhiệt độ dòng
nóng
Nhiệt độ dòng
lạnh
Lư u lư ợng dòng
lạnh, l/ph
Lư u lư ợng dòng
nóng, l/ph
Vào,
0
C
Ra,
0
C
Vào,
0

C
Ra,
0
C
Q
N1
= 4
Q
N2
= 8
Ống A
Q
N3
= 12
Q
N1
= 4
Q
N2
= 8
Q
L
= 8
(Ống B)
Q
N3
= 12
Q
N1
= 4

Q
N2
= 8
Q
L
= 8
(Ống C)
Q
N3
= 12
V. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN
b1 - Tính nhiệt lư ợng Q theo công thư ùc (1)
b2 - Tính log theo (3)
b3 - Tính hệ số truyền nhiệt dài thư ïc nghiệm theo (2)
b4 - Tính hệ số truyền nhiệt dài theo lý thuyết theo (4) bằng cách tính hệ số cấp
nhiệt 
1
, 
2
như sau:
Xác đònh chế độ chảy của lư u chất bằng chuẩn số Re
μ
ρω
td
d
Re 
Trong đó:
,  - khối lư ợng riêng và độ nhớt động học của lư u chất, kg/m
3
và Pa.S

d
td
– kích thư ớc hình học chủ yếu, m
π
4F
td
d 
Với:
F – diện tích mặt cắt, m
2
 - chu vi mặt cắt ư ớt, m
Đối với ống B:
Chế độ chảy màng 5 < Re <10
3
Khoá Hóa Giáo trình thực hành Quá trình và thiết bò
14
0,25
t
Pr
Pr
0,38
Pr
0,5
0,5ReNu










Chế độ chảy chuyển tiếp 10
3
< Re < 2.10
5
0,25
t
Pr
Pr
0,38
Pr
0,6
0,25ReNu









Chế độ chảy rối 2.10
5
< Re < 2.10
6
0,25
t

Pr
Pr
0,37
Pr
0,8
0,023ReNu









Đối với ống C:
Chế độ chảy màng Re < 2300
0,25
t
Pr
Pr
Gr
0,43
Pr
0,33
0,15ReNu










1,0
Chế độ chảy chuyển tiếp 2300 < Re <10.000
l
ε
0,25
t
Pr
Pr
0,43
C.PrNu









Chế độ chảy rối Re > 10.000
0,25
t
Pr
Pr
0,43

Pr
0,8
0,021ReNu









Trong đó:
Pr, Pr
t
– chuẩn số prandt ở nhiệt độ trung bình của dòng lư u chất và của vách
ngăn, đặc trư ng cho sư ï khác nhau của hệ số cấp nhiệt khi đun nóng và làm lạnh.
Nếu không biết nhiệt độ vách ngăn, để đơn giản trong tính toán ta xem nhiệt độ
trung bình của dòng lư u chất bằng nhiệt độ của vách ngăn nghóa là tỉ số Pr/Pr
t
= 1.
C – hệ số phụ thuộc vào Re. Có thể chọn C theo bảng 3:

l
– hệ số phụ thuộc tỷ lệ l/d khi Re < 10.000, 
l
cho trong bảng 4
Gr – chuẩn số Grashop
2
μ

βΔt
2
ρ
3
td
gd
Gr 
Với:
 - hệ số giản nở thể tích
t – hiệu nhiệt độ giư õa thành ống và dòng lư u chất
Bảng 3: Các giá trò của C theo Re
Re.10
3
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
3
4
5
6
8
10
C
1,9
2,2
3,3
3,8
4,4

6
10,3
15,5
19,5
27
33
Khoá Hóa Giáo trình thực hành Quá trình và thiết bò
15
Bảng 4: các giá trò của 
l
theo tỷ số l/d
l/d
1
2
5
10
15
29
30
40
50

l
1,9
1,7
1,44
1,28
1,18
1,13
1,05

1,02
1
Sau khi có chuẩn số Nu ta tìm 
1
, 
2
theo công thư ùc:
λ
td
αd
Nu 
với:  - hệ số dẫn nhiệt của lư u chất
b5 - Lập bảng kết qủa tính K
l
*
và K
l
theo chế độ chảy tư ø đó suy ra sai số giư õa K
l
*
và K
l
.
b6 - Dư ïng đồ thò K
l
*
, K
l
theo Re
VI. BÀN LUẬN

Sau khi tính toán và dư ïng các đồ thò, sinh viên tư ï đư a ra như õng nhận xét,
đánh giá và bàn luận về kết quả thí nghiệm theo các nội dung sau:
Tổn thất nhiệt có đáng kể không. Tại sao.
Nguyên nhân gây ra sai số trong lúc làm thí nghiệm, ảnh hư ởng của sai số
đến kết qủa tính toán. Biện pháp khắc phục.
Giải thích sư ï khác nhau giư õa K
l
*
và K
l
.
Đư a ra một vài ư ùng dụng mô hình thí nghiệm trong thư ïc tế.
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO:
1. Hư ớng Dẫn Thí Nghiệm Quá Trình và Thiết Bò– Trư ờng Đại Học Bách
Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh.
2. Sổ Tay Tập II Quá Trình Và Thiết Bò Công Nghệ Hóa Chất – NXB Khoa
Học và Kỹ Thuật.