Xác định hệ số truyền nhiệt trong điều kiện ổn định.

Bài phúc trình Kỹ thuật thực phẩm 1

Nguyễn Trường An

MSSV: CM1208N020

BÀI 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:
Tl1

Tn1

Tn2

Tl2

Hình: Thiết bị hệ thống trao đổi nhiệt thực tế
1


Bài phúc trình Kỹ thuật thực phẩm 1

Nguyễn Trường An

MSSV: CM1208N020

Thí 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:
Đặc điểm
Đường kính ngoài ống ngoài
Đường kính ngoài của ống trong
Chiều dày ống
Chiều dài ống ngoài
Hệ số dẫn nhiệt của ống trong (thép không rỉ)
Đường kính trong của ống ngoài (d1)
Đường kính trong của ống ngoài (d2)
Đường kính tương đương (dtd)

Thông số
34.5 mm
18.1 mm
1 mm
1000 mm
20W/m.K
32,5mm = 32,5 x 10-3m
16,1mm = 16,15 x 10-3m
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 65 0C) 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:

Thông số
Nhiệt độ tác nhân nóng vào Tn1 , o C
Nhiệt độ tác nhân nóng ra Tn 2 , o C
Nhiệt độ tác nhân lạnh vào Tl1 , o C
Nhiệt độ tác nhân lạnh ra Tl 2 , o C
Lưu lượng tác nhân nóng, lít/phút
Lưu lượng tác nhân lạnh, lít/ phút

Lần 1
71,6
56,4
24,7
32,9
2
7

Lần 2
72
59
24,7

33,6
3
7

Tính toán và thảo luận kết quả:
1/ Chuẩn số Reynolds tính theo kết quả đo lần 1:
* Theo tác nhân nóng:
α1 = 0.023

λ 0,8 0,4
Re Pr .
d

W

Ta có: λ = 20 m.K
Nhiệt độ trung bình của lưu chất nóng:

Ttbn =

71,6 + 56.4
= 64 o C .
2
2


Bài phúc trình Kỹ thuật thực phẩm 1

Tra sổ tay ta có:

Nguyễn Trường An

MSSV: CM1208N020

ρ = 980.6 kg3
m

µ = 0,441.10 −3 Pa.s

Pr = 2,82
Đường kính ngoài của ống trong: d1 = 18,1.10 −3 m
Đường kính trong của ống trong: d = 16,1.10−3 m
m3
s
m
d.V.ρ
⇒ F = 2,04.10− 4 m 2 ⇒ V = 0,34 ⇒ Re =
= 12039,540 >10.000
s
µ

Lưu lượng tác nhân nóng: Q n = 33.10 -5

=>chảy rối.
* Theo tác nhân lạnh:
α1 = 0.023

Ta

λ

d

Re0,8 Pr0, 4 .

W
có: λ = 20 m.K

Nhiệt độ trung bình của lưu chất lạnh: Ttbl =
Tra sổ tay ta có:

24,7 + 32,9
= 28,8 o C .
2

ρ = 995,98 kg3

μ = 0,820.10

−3

m
Pa.s

Pr = 5,75

Đường kính ngoài của ống trong: d1 = 18,1.10−3 m
Đường kính trong của ống ngoài: d = 32,5.10−3 m
Lưu lượng tác nhân lạnh: Q l = 117.10 −5

m3

s

Diện tích bề mặt thấm ướt:
(32,5.10 −3 ) 2
(18,1.10−3 ) 2
−π
= 5,723.10 − 4 m 2
S=S(ngoài)-S(trong)= π
4
4
−3
Chu vi thấm ướt: C w =C(ngoài)+(trong)= π .32,5.10 + π .18,1.10−3 = 0,159m
⇒F=

π .d
4

2

td

=

π .(4rtl )
4

2

S 2
)

Cw
m
d .V.ρ
= 1,628.10 −4 m 2 ⇒ V = 0,473 ⇒ Re = td
= 9471,01
4
s
µ

π .(4.

<10.000 =>không phải chảy rối.
2/ Chuẩn số Reynolds tính theo kết quả đo lần 2:
* Theo tác nhân nóng:
α1 = 0.023

λ
d

Re0 ,8 Pr0, 4 .

W

Ta có: λ = 20 m.K
Nhiệt độ trung bình của lưu chất nóng:

Ttbn =

72,0 + 59,0
= 65,5 o C .

2
3


Bài phúc trình Kỹ thuật thực phẩm 1

Nguyễn Trường An

MSSV: CM1208N020

kg
m3
μ = 0,431.10 −3 Pa.s

Tra sổ tay ta có:

ρ = 979,8

Pr = 2,75

Đường kính ngoài của ống trong: d1 = 18,1.10 −3 m
Đường kính trong của ống trong: d = 16,1.10−3 m
Lưu lượng tác nhân nóng: Q n = 5.10 − 4
⇒ F = 2,04.10− 4 ⇒ V = 0,44

* Theo tác nhân lạnh:
α1 = 0.023

Ta có: λ = 20

λ
d

m3
s

m
d.V.ρ
⇒ Re =
= 15749.5996 >10.000 => chảy rối.
s
µ

Re0,8 Pr0, 4 .

W
m.K

Nhiệt độ trung bình của lưu chất lạnh: Ttbl =
Tra sổ tay ta có:

24.7 + 33.6
= 29,15 o C .
2

ρ = 995,96 kg3
m

µ = 0,813.10 −3 Pa.s
Pr = 4,43

Đường kính ngoài của ống trong: d1 = 18,1.10−3 m
Đường kính trong của ống ngoài: d = 32,5.10−3 m
Lưu lượng tác nhân lạnh: Q n = 117.10 −5

m3
s

Diện tích bề mặt thấm ướt:
S=S(ngoài)-S(trong)= π

(32,5.10 −3 ) 2
(18,1.10−3 ) 2
−π
= 5,723.10 − 4 m 2
4
4

Chu vi thấm ướt: C w =C(ngoài)+(trong)=
π .32,5.10−3 + π .18,1.10−3 = 0,159m
S
π .(4. ) 2
2
π .d td
Cw
m
d .V.ρ
⇒F=
=
= 1,628.10 −4 ⇒ V = 0,66

⇒ Re = td
= 13222,67171
4
4
s
µ

>10.000 => chảy rối.
 Ở nhiệt độ 64 o C, hệ số dẫn nhiệt K=662.10
C p = 4186

 Pr=

C p .µ
K

−3

W
;
mK

J
0

kg.C

=2,82
4

Bài phúc trình Kỹ thuật thực phẩm 1

Nguyễn Trường An

MSSV: CM1208N020

Hệ số cấp nhiệt từ nước nóng qua thành ống trong:
α1 = 0.023

λ
d

Re0,8 Pr0, 4 =117669,1372(V

W
ới: λ = 20 m.K )

* Hệ số cấp nhiệt từ tường trong ra đến tường ngoài ống: α 2 =
W
m2 K

λ
= 20.000
δ

* Hệ số cấp nhiệt từ tường ra nước lạnh cấp nhiệt trong ống hình vành
khăn khi chảy rối cưỡng bức hoàn toàn:
λ
D 0,45 0,8 0,4

α3 = 0,023 (
) Re Pr =164216,0176
d D−d
W

Ta có: λ = 20 m.K
d =18,1.10 −3 m (đường

kính ngoài ống trong)
D = 32,5.10 m (đường kính trong ống ngoài)
Pr = 5,75 (trong trường hợp lạnh)
−3

* Hệ số truyền nhiệt K khi lưu chất trao đổi nhiệt trong thiết bị:
K

=

1
1 1 1 = 15482,76538 W
+ +
m 2 đô
α1 α2 α3

- Xác định hệ số truyền nhiệt theo thực tế:
Hiệu số nhiệt trung bình giữa lưu chất nóng và lưu chất nguội, o C
ΔT1 = Tn1 − Tl2 = 71,6 − 32,9 = 38,7 o C .
ΔT2 = Tn2 − Tl1 = 56,4 − 24,7 = 31,7 o C .
ΔT =

ΔT2 − ΔT1 31,7 − 38,7
=
= 35,1
o
31,7
 ΔT2 
C
ln(
)

ln
38
,
7
 ΔT1 

- 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
ΔT1 = Tn1 − Tl2 = 71,6 − 32,9 = 38,7 o C .
5

Bài phúc trình Kỹ thuật thực phẩm 1

Nguyễn Trường An

MSSV: CM1208N020

ΔT2 = Tn2 − Tl1 = 56,4 − 24,7 = 31,7 o C .
ΔT =

→ K TT =

ΔT2 − ΔT1 31,7 − 38,7
=
= 35,1
o
31,7
 ΔT2 
C
ln(
)

ln
38
,
7
 ΔT1 

mC p ∆t
F .∆T

=

0,126.4174.8,2
= 2160,84 W/m2.0C
−3
56,86.10 .35,1

 Ở nhiệt độ 65,5 o C, hệ số dẫn nhiệt K=662,78.10

W
;
mK

J

C p = 4186

 Pr=

−3

0

kg.C
C p .µ

=2,75

K

Hệ số cấp nhiệt từ nước nóng qua thành ống trong:
α1 = 0.023

λ
d

Re0 ,8 Pr0, 4 =97989,13441

W
(V ới: λ = 20 m.K )

 Hệ số cấp nhiệt từ tường trong ra đến tường ngoài ống: α 2 =
W
m2 K

λ
= 20.000
δ

 Hệ số cấp nhiệt từ tường ra nước lạnh cấp nhiệt trong ống hình vành
khăn khi chảy rối cưỡng bức hoàn toàn:
λ
D 0,45 0,8 0,4
α3 = 0,023 (
) Re Pr =138295,173
d D−d
W

Ta có: λ = 20 m.K
d = 18,1.10 −3 m (đường kính ngoài ống trong)

D = 32,5.10−3 m (đường kính trong ống ngoài)
Pr = 5

(trong trường hợp lạnh)

 Hệ số truyền nhiệt K khi lưu chất trao đổi nhiệt trong thiết bị:
K

=

1
1 1 1 = 14828,84763 W
+ +
m 2 đô
α1 α2 α3

- Xác định hệ số truyền nhiệt theo thực tế:
Hiệu số nhiệt trung bình giữa lưu chất nóng và lưu chất nguội, o C
ΔT1 = Tn1 − Tl2 = 72,0 − 33,6 = 38,4 o C .
ΔT2 = Tn2 − Tl1 = 59,0 − 24,7 = 34,3o C .
6


Bài phúc trình Kỹ thuật thực phẩm 1
ΔT =

Nguyễn Trường An

MSSV: CM1208N020

ΔT2 − ΔT1 34,3 − 38,4
=
= 36,3
o
34,3
 ΔT2 
C
ln(
)

ln
38,4
 ΔT1 

- 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
ΔT1 = Tn1 − Tl2 = 72,0 − 33,6 = 38,4 o C .
ΔT2 = Tn2 − Tl1 = 59,0 − 24,7 = 34,3o C .
ΔT =

→ K TT =

ΔT2 − ΔT1 34,3 − 38,4

=
= 36,3
o
34,3
 ΔT2 
C
ln(
)

ln
38
,
4
 ΔT1 

mC p ∆t
F .∆T

=

0,1064.4174.8,9
= 1915,01 W/m2.0C
−3
56,86.10 .36,3

15482,76538 + 14828,84763
= 15155,80637
2
2160,84 + 1915,01
=

= 2037,925
2
KTTTB

KLTTB =

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.
7