Thí nghiệm quá trình và thiết bị đối lưu nhiệt
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (282.69 KB, 26 trang )
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỐI LƯU NHIỆT
MỤC LỤC
1
THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỐI LƯU NHIỆT
TRÍCH YẾU
1. Mục đích thí nghiệm
I.
Giúp sinh viên củng cố kiến thức về sự truyền nhiệt đối lưu.
Giúp sinh viên làm quen với cấu tạo, ngun lý hoạt động của thiết bị và phương pháp
thí nghiệm về sự trao đổi nhiệt đối lưu.
Khảo sát thực nghiệm hệ số cấp nhiệt ở dòng lưu chất khơng có biến đổi pha và dòng
lưu chất có biến đổi pha với chế độ ngưng tụ chảy màng trong hai trường hợp: đối lưu tự nhiên
và đối lưu cưỡng bức.
So sánh hệ số cấp nhiệt và hệ số truyền nhiệt lý thuyết với hệ số cấp nhiệt và truyền
nhiệt thực nghiệm.
Thiết lập cân bằng nhiệt lượng trong q trình trao đổi nhiệt đối lưu.
2. Phương pháp thí nghiệm
Chuẩn bị dụng cụ và điều kiện thí nghiệm → chuẩn bị cấp nước lạnh → chuẩn bị cấp
hơi nước → khi q trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định thì tiến hành đo đồng loạt các đại
lượng → ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác (tiến hành 5 thí nghiệm ứng với 5
vị trí tấm chảy tràn) → kết thúc thí nghiệm.
3. Kết quả thí nghiệm
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Các đại lượng đo
t1 (oC)
t2 (oC)
t3 (oC)
t4 (oC)
Nhiệt độ theo T3 (oF)
Nhiệt độ theo T2 (oF)
p suất theo P3 (PSI)
p suất theo P2 (PSI)
Lượng nước ngưng (ml)
Thời gian đo lượng nước ngưng (s)
Nhiệt độ nước ngưng t’C (oC)
Vò trí tấm chảy tràn (inch)
0
32
103
62
97
210
235
11
11
75
180
72
½
33
105
63
100
210
240
11
11
65
118
74
¾
32
105
54
98
208
235
11
11
37
73
76
1
30
105
56
98
210
230
11
11
96
145
73
1½
32
102
43
91
208
230
11
11,5
44
86
75
2
THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
12
13
II.
Lượng nước chảy trong ống (ml)
Thời gian đo nước chảy trong ống
(s)
ĐỐI LƯU NHIỆT
1000
1000
1000
1000
1000
135
84
62
55
46
LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM
Sự truyền nhiệt giữa hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngồi ống đứng với dòng
nước lạnh chảy trong ống là một dạng truyền nhiệt được đặc trưng bởi 2 q trình: trao đổi
nhiệt đối lưu trong trường hợp có biến đổi pha (hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ống
đứng) và trao đổi nhiệt đối lưu ở dòng lưu chất khơng có biến đổi pha (dòng nước lạnh chảy
trong ống). Bỏ qua nhiệt trở thành ống.
Sự ngưng tụ hơi nước ở thiết bị thí nghiệm được xem như sự ngưng tụ với màng chảy
xếp lớp (chảy màng).
Ft r
Fng
α N = α tr
α C = α ng
tS
tN
t Vtr tVng
d tr δ V δ C
dng
Hình 1: Sơ đồ cơ chế
truyền nhiệt đối lưu
Dòng nước lạnh chảy trong ống đứng (gọi tắt là dòng lạnh)
được thực hiện với 2 chế độ chảy: chuyển động tự nhiên và chuyển động cưỡng bức.
3
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỐI LƯU NHIỆT
Sơ đồ cơ chế truyền nhiệt đối lưu được biểu diễn ở hình 1.
δV, δC: bề dày thành ống và bề dày màng nước ngưng tụ, m
dtr, dng : đường kính trong và ngoài ống, m.
Ftr, Fng : diện tích bề mặt bên trong và bên ngoài ống đứng có chiều cao H, m2.
ts : nhiệt độ hơi nước bão hòa, oC.
tN: nhiệt độ trung bình của nước trong ống, oC.
tVtr, tVng:nhiệt độ trung bình của vách trong và vách ngoài ống, oC.
αC = αng:hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ (phía lưu chất bên ngoài), W/m2.K
αN = αtr:hệ số cấp nhiệt phía nước lạnh (phía lưu chất trong ống), W/m2.K
q: mật độ dòng nhiệt truyền qua vách, W/m2.
1. Phương trình cân bằng nhiệt:
Nhiệt lượng dòng nước lạnh nhận được:
Q1 = GNCPN(t3 – t1), W
(1)
Nhiệt lượng tỏa ra khi hơi nước ngưng tụ:
Q2 = GC[r + CPC(tS -
tC
)], W
(2)
Trong trường hợp truyền nhiệt ổn định và không có tổn thất nhiệt, ta có phương trình
cân bằng nhiệt sau:
Q = Q1 = Q2 = GNCPN(t3 – t1) = GC[r + CPC(tS -
tC
)]
(3)
Trong đó:
GN, GC : lưu lượng khối của dòng nước trong ống và dòng nước ngưng tụ, kg/s
t1, t3
: nhiệt độ đầu và cuối của dòng nước chảy trong ống, oC
tS
: nhiệt độ hơi nước bão hòa ngưng tụ ở áp suất thí nghiệm, oC
tC
: nhiệt độ trung bình của nước ngưng tụ, oC
4
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
tC =
tS + t 'C
2
ĐỐI LƯU NHIỆT
, oC
(4)
t’C : nhiệt độ nước ngưng tụ chảy ra (trong thực tế t’ C là nhiệt độ quá lạnh của
nước ngưng tụ), oC
CPN : nhiệt dung riêng của nước chảy trong ống, xác định ở nhiệt độ trung bình của
nước, J/(kg.K)
tN =
t1 + t3
2
, oC
(5)
CPC : nhiệt dung riêng của nước sau khi ngưng tụ ở nhiệt độ
r
tC
, J/(kg.K)
: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở nhiệt độ tS, J/kg
Sự cân bằng nhiệt cũng có thể được thực hiện bằng phương trình truyền nhiệt đối lưu ở
chế độ ổn định và không có tổn thất nhiệt:
Q = Q’1 = Q’2
Trong đó:
tN
Q’1 = qtrFtr = αtr(tVtr ⇒ α tr =
Q '1
(tVtr − t N ) Ftr
)Ftr, W
, W/m2.K
(6)
Q’2 = qngFng = αng(tS - tVng)Fng, W
⇒ α ng =
Q '2
(tS − tVng ) Fng
, W/m2.K
(7)
Theo lý thuyết:
5
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỐI LƯU NHIỆT
Q’1 = Q’2 = Q1 = Q2 = Q
Từ 2 công thức (6) và (7) có thể xác định hệ số cấp nhiệt thực nghiêm phía dòng lạnh
trong ống (αtr) và hệ số cấp nhiệt phía hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài ống (αng).
Trong trường hợp nhiệt trở của vách truyền nhiệt không đáng kể (ống đồng có hệ số
dẫn nhiệt lớn: λV = 1272 W/mK và thành ống mỏng), ta có:
tVtr ≈ tVng =
t Vtr , t Vng
t2 + t4
2
, oC
(8)
: nhiệt độ trung bình tại vách trong và vách ngoài ống truyền nhiệt, oC
t2, t4 : nhiệt độ tại thành ngoài ở đầu vào (đầu dưới) và đầu ra (đầu trên) của ống,
o
C
2. Hệ số truyền nhiệt tổng quát:
K=
Q
Ftr ∆tlog
, W/m2.K
(9)
Q : nhiệt lượng tính theo công thức (1)
∆t log =
(tS − t3 ) − (t S − t1 )
(t − t )
ln S 3
(tS − t1 )
,K
(10)
3. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (hệ số cấp nhiệt) phía dòng nước lạnh chảy trong
ống (α N hay α tr)
Hệ số cấp nhiệt αN (hay αtr) được xác định tùy thuộc vào dạng trao đổi nhiệt (đối lưu tự
nhiên hay đối lưu cưỡng bức) và chế độ chảy của dòng lưu chất: chảy xếp lớp (chảy màng),
chảy rối hay chế độ chuyển tiếp. Dòng lưu chất đối lưu tự nhiên hay cưỡng bức có thể phân
6
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
biệt dựa theo giá trị của tỷ số
Gr
Re 2,5
≤ 10-3
Gr
Re 2,5
10-3 <
:
Gr
Re 2,5
Ở đây:
10
Vùng hỗn hợp 2
dòng đối lưu
Re =
Gr
Re 2,5
≤ 10-2
10
Dòng lưu chất
đối lưu cưỡng
ĐỐI LƯU NHIỆT
≥ 10-2
Dòng lưu chất
đối lưu tự nhiên
wd tr
4G N
=
ν
πd tr ρν
Gr
Re2,5
(11)
Với:
w : vận tốc dòng, m/s
ν : độ nhớt động học của lưu chất, m2/s
ρ : khối lượng riêng của lưu chất, kg/m3
a)
Trường hợp đối lưu tự nhiên:
Hệ số cấp nhiệt αN (hay αtr) ở trường hợp đối lưu tự nhiên được xác định từ chuẩn số
Nusselt (Nu):
Gr.Pr dtr
Nu =
×
32
H
0,75
H
1
1 − exp −16 ×
÷
d tr Gr.Pr
(12)
Trong đó:
7
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỐI LƯU NHIỆT
α N d tr α N d tr
=
λ
λ
3
β gdtr ∆t
Gr =
ν2
∆t = tVtr − t N
Nu =
Pr =
ν
a
( tra bảng )
tN =
Các thông số vật lý của nước được xác định ở nhiệt độ trung bình:
b)
t1 + t 3
2
, oC
Trường hợp đối lưu cưỡng bức:
Ở chế độ chảy màng (Re < 2300) với Re.Pr.
dtr
Nu = 1,86 Re . Pr .
H
1/ 3
µ
µ Vtr
dtr
H
>10 :
0 ,14
(13)
tN =
Các thông số vật lý được xác định ở nhiệt độ trung bình
t1 + t3
2
, oC. Riêng µVtr
được xác định ở nhiệt độ trung bình của vách trong tVtr.
Ở chế độ chuyển tiếp (2300 < Re < 10000) với 0,7 < Pr < 120 và
Nu = 0,023Re0,8Pr1/3
dtr
H
> 50 :
(14)
Nếu bỏ qua ảnh hưởng của lực nâng với dòng chảy ta có thể áp dụng công thức của
Mikhaev để tính Nu*:
8
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
M=
Nu *
0,14
Pr
Pr 0,43
÷
PrVtr
ĐỐI LƯU NHIỆT
= f (Re)
Giá trị thực nghiệm của M được cho trong bảng 1.
Bảng 1:
Re.10-3
2,2
2,3
2,5
3
3,5
4
M
2,2
3,6
4,9
7,5
10
12,2 16,
5
5
6
7
8
9
10
20
24
27
30
33
4. Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ:
Hệ số cấp nhiệt trong trường hợp ngưng tụ hơi tinh khiết bão hòa được xác định tùy
thuộc vào chế độ chảy của dòng lỏng ngưng tụ.
Các trường hợp chất ngưng tụ chảy màng, hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi tinh khiết
trên bề mặt ống đứng được xác định theo công thức lý thuyết của Nusselt (xác lập bằng
phương pháp giải tích):
0,25
gr ρ 2 λ 3
α C = 0,943 S C C ÷
µC H ∆t m
Ở đây:
t +t
∆t = tS − tVng = tS − 2 4 ÷
2
(16)
,K
tm =
Các thông số vật lý được xác định ở nhiệt độ trung bình
tS + tVng
2
, oC. Riêng rS
được xác định ở nhiệt độ tS đối với hơi nước bão hòa.
Công thức (16) có thể biến đổi về phương trình tiêu chuẩn đồng dạng sau:
9
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỐI LƯU NHIỆT
3
α H
νC
rS
gH
NuC = C = 0,943 2 .
.
λC CPC (tS − tVng )
λC
νC
ρC CPC
=
0,25
m
0, 943(GaC .PrC .K ) 0,25
= 0, 943( K o )0,25
m
m
(17)
Ở đây:
K=
rS
CPC (t S − tVng )
là chuẩn số đồng dạng của Kutalelagze.
Trường hợp nước ngưng tụ chảy màng không phụ thuộc vào vận tốc (tức không phụ
thuộc vào Re), hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ chảy màng có thể xác định từ chuẩn số
Nu theo công thức thực nghiệm sau đây:
Nu = 0,42(Ga. Pr .K )
*
C
0 ,28
S
µS
µ
Vng
0 ,25
= 0,42(K )
0 ,28
o S
µS
µ
Vng
0 ,25
(18)
Khác với công thức (16) ở đây các thông số vật lý được xác định ở nhiệt độ t S. Riêng
tVng =
PrVng xác định ở nhiệt độ trung bình của vách ngoài
III.
t2 + t4
2
, oC.
DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
1. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm
Hệ thống thí nghiệm đối lưu nhiệt gồm có:
-
Ống truyền nhiệt.
Bình chứa nước.
Nồi hơi.
Bình chảy tràn.
Hệ thống van và ống nối
Hệ thống dụng cụ đo nhiệt độ, áp suất.
10
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
-
ĐỐI LƯU NHIỆT
Hệ thống cấp nước
Nút điều khiển điện trỏ, núm điều chỉnh nhiệt độ và bộ phận điều chỉnh vị trí
tấm chảy tràn.
Ống truyền nhiệt đặt đứng có kích thước sau:
-
Chiều cao
Đường kính ngoài
Đường kính trong
-
Bề dày thành ống
-
Hệ số dẫn nhiệt của ống đồng
: H = 60,96 cm= 0,61 m
: dng = 15,8 mm= 0,0158 m
: dtr = 13,8 mm= 0, 0138 m
δ
: = 1 mm= 0,001 m
λV
: = 1272 W/(m.K)
2. Phương pháp thí nghiệm
a)
Chuẩn bị
11
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỐI LƯU NHIỆT
Chuẩn bị dụng cụ và điều kiện thí nghiệm
-
Chuẩn bị ống nghiệm đo nước ngưng tụ
Chuẩn bị ống nghiệm đo lượng nước chảy trong ống
Chuẩn bị nhiệt kế đo nhiệt độ nước ngưng tụ chảy ra
Chuẩn bị một đồng hồ bấm giây để đo thời gian nước chảy trong ống và thời
-
gian nước ngưng
Kiểm tra nguồn điện, nguồn nước và dụng cụ đo trên thiết bị thí nghiệm
Chuẩn bị nước cấp lạnh
-
Khóa các van V1, V4, S1 và mở các van V2 và V5.
Điều chỉnh tấm chảy tràn ở vị trí mong muốn theo yêu cầu của bài thí nghiệm.
Mở van V1 và điều chỉnh để giữ mực nước ổn định ở bình chảy tràn.
Chuẩn bị cấp hơi nước.
-
Khóa các van: S1, S3, S5, V3, V6, V8.
Mở van S4 xả hết nước ngưng dư rồi khóa lại.
Mở van V7.
Cho nước vào bình chứa đến ¾ chiều cao bình và mở nắp bình. Mở van V 8 cấp
nước cho nồi đun và khóa van V 8 khi mực nước trong nồi đun đạt 2/3 chiều cao
b)
ống chỉ mức.
Đóng van V7.
Cấp điện cho bộ điện trở đun nước R1 cho đến khi áp suất trong nồi đun đạt
khoảng 15 PSI.
Cấp điện cho bộ điện trở R2 để gia nhiệt cho hơi nước (nếu có R2).
Tiến hành thí nhiệm
Điều chỉnh dòng nước lạnh chảy trong ống theo yêu cầu của bài thí nghiệm.
Khi áp suất trong nồi đun đạt 15 PSI, mở hoàn toàn van V 7 và mở từ từ van V6 và điều
chỉnh để áp suất hơi đi vào buồng thí nghiệm khoảng 12 PSI. Van V 6 phải mở để đủ hơi ngưng
tụ trên bề mặt ống truyền nhiệt.
Khi quá trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định, tiến hành đo đồng loạt các đại lượng:
-
Lượng nước ngưng tụ trong một khoảng thời gian nhất định và nhiệt độ của nước
ngưng tụ.
12
THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỐI LƯU NHIỆT
-
Lượng nước chảy trong ống trong ống trong ống trong một khoảng thời gian nhất
-
định.
Nhiệt độ t1, t2, t3, t4 (đồng hồ hiện số).
Áp suất trong nồi hơi (áp kế P2).
Nhiệt độ của hơi trong nồi hơi (đồng hồ đo nhiệt độ T2).
Nhiệt độ hơi vào buồng ngưng tụ theo T3 (oF)
Áp suất hơi vào buồng ngưng tụ theo P3 (PSI)
Trong khi đo thường xun quan sát mức nước trong bình chảy tràn và mức nước
trong nồi hơi.
Ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác
c)
Sau khi đo xong, ngắt điện cấp cho nồi hơi, đóng các van V 6, V7, mở van xả hơi S5.
Nạp nước vào bình chứa. Mở van V8 cấp nước cho nồi hơi rồi khóa van V8 lại, khóa van xả hơi
S5.
Khóa van V1, mở vòi xả S4 để xả hết nước nóng rồi khóa vòi S4 lại.
Chuyển vị trí tấm chảy tràn theo u cầu của bài thí nghiệm tiếp theo và lặp lại quy
trình thao tác như ở thí nghiệm trước.
Các thí nghiệm được tiến hành với các vị trí ống chảy tràn như sau:
-
IV.
Vị trí “0”: đối lưu tự nhiên.
Vị trí “½, ¾,1, 1 ½”: đối lưu cưỡng bức.
d)
Kết thúc thí nghiệm
Trình tự thao tác khi kết thúc thí nghiệm:
- Ngắt cầu dao điện cho nồi hơi.
- Ngắt điện cho đồng hồ đo nhiệt độ hiện số.
- Khóa van nguồn nước.
- Khóa và mở các van đúng như hiện trạng trước khi làm thí nghiệm
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
1. Kết quả thí nghiệm
Bảng 2: Kết quả đo
STT
1
2
Các đại lượng đo
t1 (oC)
t2 (oC)
0
32
103
Vò trí tấm chảy tràn (inch)
½
¾
1
33
32
30
105
105
105
1½
32
102
13
THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
t3 (oC)
t4 (oC)
Nhiệt độ theo T3 (oF)
Nhiệt độ theo T2 (oF)
p suất theo P3 (PSI)
p suất theo P2 (PSI)
Lượng nước ngưng (ml)
Thời gian đo lượng nước ngưng (s)
Nhiệt độ nước ngưng t’C (oC)
Lượng nước chảy trong ống (ml)
Thời gian đo nước chảy trong ống
(s)
ĐỐI LƯU NHIỆT
62
97
210
235
11
11
75
180
72
1000
63
100
210
240
11
11
65
118
74
1000
54
98
208
235
11
11
37
73
76
1000
56
98
210
230
11
11
96
145
73
1000
43
91
208
230
11
11,5
44
86
75
1000
135
84
62
55
46
2. Xử lý sơ bộ kết quả đo
Bảng 3
Các đại lượng đo
Vị trí tấm chảy tràn (inch)
0
½
¾
1
1½
t1 (oC)
32
33
32
30
32
t2 (oC)
103
105
105
105
102
t3 (oC)
62
63
54
56
43
t4 (oC)
97
100
98
98
91
t’C (oC)
72
74
76
73
75
14
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỐI LƯU NHIỆT
PS (bar)
0,77
0,77
0,77
0,77
0,77
tS (oC)
100,00
100,00
100,00
100,00
100,00
47
48
43
43
37,5
100
102,5
101,5
101,5
96,5
100
102,5
101,5
101,5
96,5
100,00
101,25
100,75
100,75
98,25
86,00
87,00
88,00
86,50
87,50
53
54,5
58,5
58,5
59
GN (kg/s)
0,00733
0,01177
0,01598
0,01802
0,02159
GC (kg/s)
0,000399
0,000527
0,000485
0,000634
0,000492
t1 + t 3
2
tN =
t Vng =
tC =
, C
t2 + t4
2
t Vtr ≈ t Vng
tm =
o
, oC
, oC
t S + t Vng
2
t S + t' C
2
∆t = t Vtr − t N
o
, C
o
, C
,K
3. Xác định các thông số tính toán
Bảng 4
Các thông số vật lý
Nước
CPN (J/kgK)
0
4182,096
Vị trí tấm chảy tràn (inch)
1/2
3/4
1
4180,213
4179,607
4179,105
1½
4178,707
15
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
chảy
trong
ống
Nước
ngưng
tụ
Hơi
nước
bão
hòa
λ
(W/mK)
ρ
(kg/m3)
ν.106
(m2/s)
β.104
(1/K)
μ.103
(NS/m2)
μtr.103
(NS/m2)
λC
(W/mK)
ρC
(kg/m3)
μC.103
(NS/m2)
νC.106
(m2/s)
CPC
( J/kgK)
λS
(W/mK)
PrS
ĐỐI LƯU NHIỆT
0,653
0,6459
0,6424
0,6396
0,6361
985,97
988,74
989,82
990,66
991,67
0,520
0,570
0,593
0,613
0,642
4,769
4,397
4,242
4,118
3,963
0,511
0,564
0,588
0,610
0,638
0,2868
0,2978
0,2868
0,27
0,2899
0,6818
0,6814
0,6818
0,6824
0,6817
959,13
960,37
959,13
956,68
959,48
0,287
0,292
0,287
0,280
0,289
0,2983
0,3037
0,2983
0,2890
0,2998
4217,73
4215,63
4217,73
4221,72
4217,13
0,6818
0,6818
0,6818
0,6818
0,6818
1,77
1,77
1,77
1,77
1,77
PrVng
1,77
1,84
1,77
1,68
1,79
ρS (kg/m3)
CPS
( J/kgK)
959,166
959,166
959,166
959,166
959,166
4,218
4,218
4,218
4,218
4,218
Rs( J/kg)
2262886
2262886
2262886
2262886
2262886
4. Nhiệt lượng và tổn thất nhiệt
Bảng 5
16
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỐI LƯU NHIỆT
Q1 (W)
0
1550
Vị trí tấm chảy tràn (inch)
1/2
3/4
1
1598
1667
1579
1½
1968
Q2 (W)
∆ Q (W)
∆ Q (%)
1149
-401
-26
1212
-386
-24
1348
-620
-32
1258
-409
-25
1282
-297
-19
5. Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ
Các đại lượng
Trao đổi
nhiệt phía
nước chảy
trong ống
Trao đổi
nhiệt phía
nước ngưng
tụ
Truyền nhiệt
tổng quát
Vị trí tấm chảy tràn (inch)
1/2
3/4
1
3,657
3,852
4,006
1,840
1,770
1,675
2159
2412
2607
172121
1641027 1649440
4
11,45
18,32
19,75
Pr
PrVtr
Re
0
3,306
1,770
1627
Gr
2023424
NuN
9,85
(αN)tt hay
(αtr)tt
(W/m2 .K)
466,13
536,07
852,80
915,37
1443,84
(αN)tn hay
(αtr)tn
(W/m2.K)
1317,48
1285,76
1189,49
978,64
1317,33
(αC)tt
(W/m2.K)
5062,77
4972,03
4846,29
4703,60
4763,36
7932,79
57269,29
(αC)tn
(W/m2.K)
395144,24 13519,94 432542,26
1½
4,196
1,790
4552
1401019
31,32
(NuC)tt
4529,69
4450,78
4336,00
4204,64
4262,43
Q=Q1 ,W
1550,47
1598,15
1667,23
1578,75
1968,35
∆Tlog, K
Ktt,
W/m2.K
Ktn,
W/m2.K
K'tt,
W/m2.K
K'tt/Ktt
41,03
48,97
51,81
54,15
57,06
426,83
483,90
725,19
766,25
1107,99
1428,86
1234,11
1216,88
1102,50
1304,36
426,68
483,71
724,77
765,79
1107,03
0,9997
0,9996
0,9994
0,9994
0,9991
17
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỐI LƯU NHIỆT
6. Đồ thị
a) Đồ thị mối quan hệ: NuN =f(Re), Ktt=f(Re)
9,85
1627
426,83
NuN
Re
KTT
11,45
2159
483,90
18,32
2412
725,19
19,75
2607
766,25
31,32
4552
1107,99
Re
Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Nun và Re
Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ktt và Re
b) Đồ thị mối tương quan so sánh
2
(αN)TT hay (αtr)TT, W/m .K
(αN)TN hay (αtr)TN, W/m2.K
0
466,13
1317,48
1/2
536,07
1285,76
3/4
852,80
1189,49
1
915,37
978,64
1½
1443,84
1317,33
18
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỐI LƯU NHIỆT
Đồ thị mối tương quan giữa (αN)TT và (αN)TN
0
5062,77
395144,2
4
2
(αC)TT W/m .K
(αC)TN W/m2.K
1/2
4972,03
3/4
4846,29
1
4703,60
1½
4763,36
13519,94
432542,26
7932,79
57269,29
Đồ thị mối tương quan giữa (αC)TT và (αC)TN
Đồ thị mối tương quan giữa KTT và KTN
V.
BÀN LUẬN
1. Giải thích tại sao khi thí nghiệm với tấm chảy tràn ở mức “0” mà nước trong
ống vẫn chảy ra.
Đầu tiên ta cần hiểu ý nghĩa các chỉ số 0, 1/2, 3/4, 1 ,...Các chỉ số này có nghĩa là
khoảng cách tính theo inch của mực nước trong bình chảy tràn so với vị trí cao nhất trong ống
dẫn nước lạnh trong bình trao đổi nhiệt
Trước thí nghiệm, nếu ta để vị trí tấm chảy tràn ở vị trí “0” và cấp nước cho bình chảy
tràn thì nước không chảy trong ống đứng và thoát ra ngoài vì lúc đó mực nước trong bình chảy
tràn bằng với vị trí cao nhất trong ống (∆P = 0).Do đó, nước không thể chảy do không có sự
chênh lệch về áp suất.Tuy nhiên trong quá trình thí nghiệm với vị trí tấm chảy tràn ở mức “0”
ta cung cấp hơi nước bão hòa có nhiệt độ cao để làm nóng dòng lạnh, khi đó đã xảy ra sự
truyền nhiệt qua vách (truyền nhiệt đối lưu). Dẫn đến sự chuyển động của dòng lưu chất do có
sự chênh lệnh về mật độ (khối lượng riêng) giữa những vùng có nhiệt độ khác khác nhau do
đó dòng nước vẫn chảy được ở mức “0” trong lúc thí nghiệm.
19
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỐI LƯU NHIỆT
2. Nhận xét về mức độ tổn thất nhiệt
Q1 (W)
0
1550
Vị trí tấm chảy tràn (inch)
1/2
3/4
1
1598
1667
1579
1½
1968
Q2 (W)
∆ Q (W)
∆ Q (%)
1149
-401
-26
1212
-386
-24
1348
-620
-32
1258
-409
-25
1282
-297
-19
Theo kết quả thí nghiệm ta thấy ∆Q < 0 điều đó có nghĩa là Q 1 ngoài nhiệt lượng lấy từ
ngưng tụ và làm nguội nước ngưng còn có quá trình làm nguội hơi quá nhiệt về nhiệt độ
ngưng tụ. Theo kết quả tính toán thì tổn thất nhiệt là tương đối thấp.
3. Nhận xét và giải thích về ảnh hưởng của vị trí tấm chảy tràn lên các hệ số α tr,
α ng và K.
Ảnh hưởng của vị trí tấm chảy tràn lên các hệ số αtr, αng
-
Khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì (αN)TT càng tăng vì: Tấm chảy tràn càng cao thì chênh
lệch về cột áp càng lớn → lưu lượng dòng lạnh càng tăng → vận tốc dòng lạnh càng tăng →
Re càng tăng. Ngoài ra khi vận tốc dòng càng tăng thì sự tiếp xúc để trao đổi nhiệt càng giảm
dẫn đến hiệu quả truyền nhiệt kém hơn → nhiệt độ trung bình của dòng lạnh càng giảm → Pr
và µ càng tăng Nu càng tăng (công thức (13)) ⇒ (αN)TT càng tăng. Vì vậy, kết quả thí
-
nghiệm phù hợp với lý thuyết.
Khi tăng độ cao của vị trí tấm chảy tràn thì vẫn chưa đủ dữ kiện đê dự đoán (αN)TN sẽ tăng hay
giảm. Bởi vì, đối với các vị trí xảy ra trao đổi nhiệt cưỡng bức: nhiệt lượng mà dòng lạnh nhận
(Q1) sẽ tăng do lưu lượng tăng (giải thích ở trên), khi đó hiệu quả truyền nhiệt giảm nên đại
lượng
∆t = tVtr − t N
cũng sẽ tăng (do
tN
sẽ giảm nhanh), tuy nhiên ta không thể xác đinh mức
20
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỐI LƯU NHIỆT
độ tăng của các đại lượng trong công thức (6) nên ta chỉ có thể kết luận giá trị (αtr)TN hay
∆t = tVtr − t N
-
(αN)TN phụ thuộc vào Q1 và
(αc)TN tăng giảm không ổn định
Ảnh hưởng của vị trí tấm chảy tràn lên các hệ số Κ
Ktt =
1
1
(α N )tt
+
1
(α C )tt
Theo công thức Ktt phụ thuộc
(α N )tt
và
(α C )tt
=
(α N ) tt × (α C )tt
(α N )tt + (α C ) tt
, W/m2.K
(α N )tt
và
(α C )tt
mà ta có vị trí tấm chảy tràn càng cao thì
càng cao do đó Ktt càng tăng.
4. So sánh và giải thích mối tương quan giữa giá trị tính toán và giá trị thực
nghiệm của hệ số cấp nhiệt phía nước trong ống, phía nước ngoài ống và hệ số
truyền nhiệt tổng quát.
Hệ số cấp nhiệt phía nước ngoài ống: Dựa vào bảng 6: (α C)TN > (α C)TT.
Hệ số cấp nhiệt phía nước trong ống: Dựa vào bảng 6: giá trị (αN)TN> ((α N)TT
Hệ số truyền nhiệt tổng quát: Dựa vào bảng 6 : tất cả các giá trị KTN đều lớn hơn KTT.
Các giá trị tính toán của hệ số cấp nhiệt phía nước trong ống và hệ số cấp nhiệt phía
nước ngưng tụ ngoài ống, hệ số truyền nhiệt K đều phải lớn hơn các giá trị thực nghiệm tương
ứng.Vì ta đã giả sử bỏ qua sự mất mát nhiệt trong quá trình trao đổi nhiệt nhưng trong quá
trình tiến hành thí nghiệm thì luôn luôn tồn tại tổn thất nhiệt ở những mức độ khác nhau, tùy
vào hệ thống thiết bị và thao tác của người tiến hành thí nghiệm. Nguyên nhân do có sai số
trong thí nghiệm
5. Nhận xét sự ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống
δV
÷
λV
21
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
K tt ' =
1
1
(α N )tt
+
δ
1
+ V
(α C )tt λV
ĐỐI LƯU NHIỆT
, W/m 2 K
Theo kết quả tính toán thì
K tt '
< Ktt do đó trở nhiệt thành ống làm giảm hệ số truyền
nhiệt tổng quát. Nhưng sự chênh lệch này không quá lớn nên có thể bỏ qua
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.
Theo kết quả thu được ta nhận thấy rằng độ tin cậy của thí nghiệm không cao. Các sai
số trong bài thí nghiệm còn khá lớn
Nguyên nhân sai số
-
Thiết bị cấp nhiệt bằng điện trở không ổn định
Lượng hơi nước bão hòa dễ bị ngưng tụ trong quá trình làm việc
Van điều chỉnh khó khăn ảnh hưởng các thông số đo
Nhiệt độ làm việc càng ngày càng tăng làm ảnh hưởng đến các đồng hồ đo.
Đo thời gian và xác định đồng thời các thông số rất khó khăn.
Lượng nhiệt, hơi bị tích tụ qua các thí nghiệm làm sai số.
Đo thời gian không đồng nhất với thao tác thí nghiệm.
Chế độ truyền nhiệt chưa ổn định như mong muốn
Giá trị (αN)TT được tính với điều kiện là chế độ chảy màng, nhưng trong thực tế thì chế
độ chảy của dòng nước lạnh trong ống không hẳn là chảy màng hoàn toàn mà đôi khi
VI.
có thể ở chế độ chuyển tiếp.
Sai số quá trình tra bảng số liệu, nội suy, tính toán,…
PHỤ LỤC
1. Xử lý sơ bộ kết quả đo:
Từ kết quả đo ghi trong bảng 1,thực hiện việc chuyển đổi đơn vị đo nhiệt độ,áp
suất,tính lưu lượng nước và đưa vào bảng 3.
5
t 0C = (t 0 F − 32)
9
1PSI=0,069bar [2]
22
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỐI LƯU NHIỆT
1at=0,981bar [2]
Vì áp suất trong buồng thí nghiệm xấp xỉ bằng với áp suất khí quyển => có thể coi là
bằng với áp suất khí quyển => Ps
≈
1at=0,981 bar
=>tS =98,89 0C (tra ở trang 314 ở sổ tay quá trình thiết bị tập 1)
GV =
Lưu lượng thể tích:
V
t
,trong đó:
V: thể tích nước đo được (m3)
t: thời gian đo (s)
G = GV .ρ =
Lưu lượng khối lượng:
V
.ρ
t
2. Xác định các thông số phục vụ tính toán:
Các thông số vật lý tham gia trong quá trình tính toán gồm có:
a) Các thông số vật lý của nước chảy trong ống:
CPN , λ , ρ ,ν , β , Pr, µ , µtr
tN =
nước chảy trong ống
: Các thông số này được xác định ở nhiệt độ trung bình của
t1 + t3
2
(ở bảng 3). Riêng μVtr được xác định ở nhiệt độ
tVtr ≈ tVng
. Tra
ở bảng 1 và trang 310 ở sổ tay quá trình thiết bị tập 1.
b) Các thông số của nước ngưng tụ ở áp suất thí nghiệm:
- CPC,λC,ρC,νC,μC,CPS,λS,ρS,PrS,PrVtr.Các thông số có chỉ số “c” xác định ở nhiệt
tm =
độ trung bình
tS + tVng
2
(bảng 3).
23
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
c)
-
ĐỐI LƯU NHIỆT
Các thông số có chỉ số “s” xác định ở nhiệt độ tS.
Các thông số có chỉ số “Vng” xác định ở nhiệt độ tVng.
Tra ở bảng 1,trang 310 ở cuốn sổ tay quá trình thiết bị tập 1.
Các thông số vật lý của hơi nước bão hòa ở áp suất thí nghiệm:
RS được xác định ở nhiệt độ tS đối với hơi nước bão hòa.
Tra ở bảng 1 và trang 314 ở cuốn sổ tay quá trình thiết bị tập 1.
Kết quả xác định các thông số vật lý được đưa vào bảng 4.
Tính toán nhiệt lượng,xác định tổn thất nhiệt:
Nhiệt lượng Q1 tính theo công thức (1).
Nhiệt lượng Q2 tính theo công thức (2).
Tổn thất nhiệt tính theo: ΔQ=Q2-Q1.
∆Q
∆Q(%) =
× 100%
Q1
- Tỷ lệ tổn thất nhiệt:
- Kết quả tính toán đưa vào bảng 5.
4. Tính toán xác định hệ số cấp nhiệt phía nước chảy trong ống:
3.
-
Ở trường hợp đối lưu tự nhiên(ứng với thí nghiệm ở vị trí “0” của tấm chảy tràn),Nu và
αN(αtr) tính toán theo công thức(12).
Trường hợp đối lưu cưỡng bức(ứng với thí nghiệm ở vị trí “1/2,3/4,1,3/2” của tấm
chảy tràn) Nu và αN(αtr) tính toán theo công thức (13) hoặc (14) tùy theo chế độ chảy cụ thể.
Các giá trị αN(αtr) tính toán trong 2 trường hợp trên được gọi là hệ số cấp nhiệt tính
toán (αN)TT hay (αtr)TT. Gía trị của αN(αtr) xác định từ công thức (6) gọi là hệ số cấp nhiệt thực
nghiệm (αN)TT hay (αtr)TN.
Kết quả tính toán được đưa vào bảng 6.
5. Tính toán xác định hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ:
Trường hợp nước ngưng tụ chảy màng,hệ số cấp nhiệt αC tính theo công thức(16) hoặc
suy ra từ Nu trong công thức (17). Hệ số αC hoặc Nu tính theo côgn thức (16) và (17) gọi là
giá trị tính toán (αC)TT,(Nu)TT.
Hệ số cấp nhiệt thực nghiệm (αC)TN phía hơi nước ngưng tụ được tính theo công
thức(7).
24
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ĐỐI LƯU NHIỆT
Kết quả tính toán được đưa vào bảng 6.
6. Tính hệ số truyền nhiệt tổng quát:
Hệ số truyền nhiẹt tổng quát được tính theo công thức:
KTT =
1
1
1
+
(α N )TT (α C )TT
=
(α N )TT × (α C )TT
(α N )TT + (α C )TT
,W/m2.K
Ở đây: KTT là hệ số truyền nhiệt tổng quát,tính theo (αN)TN và (αC)TT, bỏ qua ảnh hưởng
của nhiệt trở thành ống
δV
÷
λV
.
Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN được tính theo công thức (9),trong đó Q = Q1.
Tính hệ số truyền nhiệt có kể đến ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống
'
KTT
=
1
(α N )TT
1
δ
1
+ V +
λV (α C )TT
δV
÷
λV
,W/m2.K
Tính toán so sánh KTT với K’TT
'
δ
KTT
1
=
, V
δ
KTT 1 + V K λV
λV TT
=const
Kết quả tính toán các hệ số truyền nhiệt được đưa vào bảng 6.
VII.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] V. P. Isachenco, V. A. Osipova, A. S. Sukomel, “Heat tranfer”, Moscow, 1977
25
