truyền nhiệt vỏ ống truyền nhiệt vỏ ống truyền nhiệt vỏ ống

MỤC LỤC
BÀI 6 : TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG.......................................................................................1
6.1

Tóm tắt...................................................................................................................... 1

6.2

Giới thiệu...................................................................................................................1

6.2.1

Cơ sở lý thuyết....................................................................................................1

6.3

Mục đích thí nghiệm..................................................................................................3

6.4

Thưc nghiệm.............................................................................................................. 3

6.4.1

Trang thiết bị, hóa chất........................................................................................3

6.4.2

Tiến hành thực nghiệm........................................................................................4

6.4.3

Kết quả thí nghiệm..............................................................................................5

6.5

Kết luận...................................................................................................................15

6.6

Tài liệu tham khảo...................................................................................................15

i


BÀI 6 : TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG
6.1 Tóm tắt
Trong bài thực hành này chúng ta tiếp cận thiết bị truyền nhiệt loại vỏ ống, quá trình truyền
nhiệt được xem là truyền nhiệt biến nhiệt ổn định. Dễ dàng cho ta thấy được sự ảnh hưởng
chiều chuyển động của lưu chất lên quá trình truyền nhiệt vỏ ống dạng ống chùm trong 2
trường hợp xuôi chiều và ngược chiều. Từ đó ta thu được các kết quả, xử lý số liệu thu được
nhằm xác định các hệ số truyền nhiệt thực nghiệm K TN của thiết bị và so sánh với hệ số
truyền nhiệt lý thuyết KLT được tính toán thông qua các chuẩn số, chế độ dòng chảy và có
thể rút ra kết luận xem quá trình truyền nhiệt nào là tốt hơn.
6.2 Giới thiệu
Quá trình truyền nhiệt được phân biệt thành quá trình truyền nhiệt ổn định và quá trình
truyền nhiệt không ổn định. Quá trình truyền nhiệt ổn định là quá trình mà ở đó nhiệt độ chỉ
thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian. Quá trình truyền nhiệt không ổn
định là quá trình mà ở đó nhiệt độ thay đổi theo cả không gian và thời gian
Quá trình truyền nhiệt là quá trình một chiều, nghĩa là nhiệt lượng chỉ được truyền từ nơi có
nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp và truyền từ vật này sang vật khác hay từ không gian

này sang không gian khác thường theo một phương thức cụ thể nào đó hoặc là tổ hợp các
nhiều phương thức( truyền nhiệt phức tạp). Các phương thức truyền nhiệt về cơ bản gồm
dẫn nhiệt, nhiệt đới lưu, bức xạ.
6.2.1 Cơ sở lý thuyết
Cân bằng năng lượng khi 2 dòng lỏng trao đổi nhiệt gián tiếp
Nhiệt lượng do dòng nóng tỏa ra:
(6-1)
Nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào:
(6-2)
Nhiệt lượng tổn thất:
1


(6-3)
Cân bằng năng lượng:
(6-4)
Mặt khác nhiệt lượng trao đổi cũng có thể tính theo công thức:
(6-5)
Phương pháp xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích logarit khác nhau:
(6-6)
Trường hợp chảy ngược chiều:
(6-7)
(6-8)
Nếu

(6-9)

Nếu

(6-10)

Trường hợp hai lưu thể xảy ra cùng chiều:
=

(6-11)

=

(6-12)

Nếu trong quá trình truyền nhiệt khi tỷ số thì hiệu số nhiệt độ trung bình có thể được tính
gần đúng như sau:
(6-13)
Hiệu suất nhiệt độ trong các quá trình truyền nhiệt của dong nóng và dòng lạnh lần lượt:
(6-14)
(6-15)
Hiệu suất nhiệt độ hữu ích của quá trình truyền nhiệt:
(6-16)
Hiệu suất của quá trình truyền nhiệt:

2


(6-17)
Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm:
(6-18)
Trong đó: F =

6.3 Mục đích thí nghiệm
- Biết vận hành thiết bị truyền nhiệt, hiểu nguyên lý đóng mở van để điều chỉnh lưu lượng,

và hướng dòng chảy , biết những sự cố có thể xảy ra và cách xử lý tình huống
- Khảo sát quá trình truyền nhiệt khi đun nóng hoặc làm nguội gián tiếp giữa 2 dòng qua một
bề mặt ngăn cách là ống xoắn .
- Tính toán hiệu suất toàn phần dựa vào cân bằng nhiệt lượng ở những lưu lượng dòng khác
nhau
- 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 thưc nghiệm của thiết bị từ đó so sánh với kết quả thí tính toán
theo lý thuyết
6.4 Thưc nghiệm
6.4.1 Trang thiết bị, hóa chất
Được trang bị hệ thống tủ điện điều khiển hệ thống bơm, điện trở, cài đặt nhiệt độ và các đầu
báo nhiệt độ, cách thức hoạt động như sau:
Kết nối nguồn điện cung cấp cho tủ điều khiển (đèn báo sáng);
Bật công tắc tổng (đèn báo sáng)
Mở nắp thùng chứa nước nóng TN và lạnh TL ( nếu có) kiểm tra nước đến hơn 2/3 thùng.
Trước khi cho nước vào thùng phải đóng van xả ở đáy.
Đóng nắp thùng chứa nước nóng và lạnh 9 (nếu có);
3


Cài đặt nhiệt độ trên bộ điều khiển ON/OFF cho thùng chứa nước nóng TN;
Bật công tắc điện trở;
Khi nhiệt độ trong thùng chứa nước nóng TN đạt giá trị cài đặt thì bắt đầu tiến hành thí
nghiệm.
6.4.2 Tiến hành thực nghiệm
6.4.2.1 Thí nghiệm 1 : Khảo sát trường hợp xuôi chiều thiết bị

Trước khi mở bơm phải đảm bảo hệ thống van phải phù hợp,tránh trường hợp mở bơm mà
không có dòng chảy.

Trước khi mở điện trở phải đảm bảo trong thùng có nước điều này rất quan trọng vì nếu bật
điện trở mà không có nước trong thùng thì chỉ cần 1-3 phút điện trở sẽ hỏng.
Trước khi mở bơm phải đảm bảo trong thùng chứa phải có nước
Phải xác định được vị trí đầu dò nhiệt độ, quan trọng đó là nhiệt dộ nóng vào, nóng ra, lạnh
vào, lạnh ra.
Khi mở bơm khởi động phải mở van hoàn lưu
Khi vận hành chính thức dòng nóng chảy qua nhánh phụ không qua lưu lượng kế.
6.4.2.2 Thí nghiêm 2: Khảo sát trường hợp ngược chiều thiết bị

Trước khi mở bơm phải đảm bảo hệ thống van phải phù hợp ( nghĩa là phải có dòng chảy),
tránh trường hợp mở bơm mà không có dòng chảy ( nghĩa là van đóng mở sai).
Trước khi mở điện trở phải đảm bảo trong thùng có nước điều này rất quan trọng vì nếu bật
điện trở mà không có nước trong thùng thì chỉ cần 1-3 phút điện trở sẽ hỏng.
Trước khi mở bơm phải đảm bảo trong thùng chứa phải có nước
Phải xác định được vị trí đầu dò nhiệt độ, quan trọng đó là nhiệt dộ nóng vào, nóng ra, lạnh
vào, lạnh ra.
Khi mở bơm khởi động phải mở van hoàn lưu
Khi vận hành chính thức dòng nóng chảy qua nhánh phụ không qua lưu lượng kế.

4


6.4.3 Kết quả thí nghiệm
6.4.3.1 Thí nghiệm 1 : Trường hợp xuôi chiều

Bảng 6-1 : Kết quả thực nghiệm ( xuôi chiều)
STT

(l/p)

(l/p)

()

1

10

10

49

30

44

33

2

13

10

48

30

42

34

3

16

10

47

31

40

35

4

10

13

48

32

44

36

5

13

13

48

33

44

36

6

16

13

47

33

43

35

7

10

16

47

33

43

34

8

13

16

46

32

42

34

9

16

16

45

32

41

33

Trong đó :

VL(l/p) : vận tốc dòng lạnh
VN (l/p) : vận tốc dòng nóng
T1 () : Nhiệt độ dòng nóng vào
T2 () : Nhiệt đọ dòng lạnh vào
T3 () : Nhiệt độ dòng nóng ra
T4 () : Nhiệt đôk dòng lạnh ra

6.4.3.2 Thí nghiệm 2 : Trường hợp ngược chiều

Bảng 6-2: Kết quả thực nghiệm ngược chiều
5


STT

(l/p)

(l/p)

()

1

10

10

50

26

37

36

2

10

13

49

26

37

35

3

10

16

48

27

36

34

4

13

10

48

27

40

34

5

13

13

47

28

39

35

6

13

16

48

28

38

35

7

16

10

49

28

40

35

8

16

13

48

27

39

35

9

16

16

48

27

39

35

Trong đó : VL(l/p) : vận tốc dòng lạnh
VN (l/p) : vận tốc dòng nóng
T1 () : Nhiệt độ dòng nóng vào
T2 () : Nhiệt đọ dòng lạnh vào
T3 () : Nhiệt độ dòng nóng ra
T4 () : Nhiệt đôk dòng lạnh ra
6.4.3.3 Tính toán số liệu

Hiệu số nhiệt độ

Hiệu suất nhiệt độ

N

= 100%

L

= 100%

Hiệu suất nhiệt độ hữu ích

6


hi

=

Hiệu suất quá trình truyền nhiệt
Lưu lượng 2 dòng
GN = VN . nước
GL = VL . . nước
nước :

Khối lượng riêng của nước tại nhiệt độ đang xét
Nhiệt lượng 2 dòng :
QN = GN . CN . TN
QL = GL . CL . TL

CN , CL : Nhiệt dung riêng của nước
Hiệu suất quá trình truyền nhiệt :
η = . 100%

Hệ số truyền nhiệt
- Hệ số truyền nhiệt lý thuyết
KLT =
, : Hệ số cấp nhiệt của dòng nóng và dòng lạnh (W/m.K)
:= =

= 1 (mm) = 2.10-3 (m)

λ : Hệ số dẫn nhiệt (W/m.K) = 17,5 (W/m.K) do là thép không rỉ
-Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm
Trường hợp xuôi chiều :

Trường hợp ngược chiều :
7


Xét 2 t , cái nào lớn hơn sẽ là , nhỏ hơn là tmin

Tính diện tích truyền nhiệt :
F=

=>
Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm :

Tính hệ số cấp nhiệt dòng nóng
Vận tốc dòng nóng :

Tính chuẩn số Renolds :

: Độ nhớt của dòng nóng, tra bảng theo phương pháp nội suy
: Đường kính ống dòng nóng
Tính chuẩn số Prandtl :

: Tra bảng theo phương pháp nội suy
Tính chuẩn số Gr :
Gr = .
8

g : gia tốc trọng trường 9,81 (m/s2)
l : ở đây là đường kính (m)
: hệ số giãn nở thể tích theo nhiệt độ
hiệu số nhiệt độ giữa tường và dòng lưu chất
Dựa vào chuẩn số Renolds ta xác định được chế độ chảy của dòng, từ đó suy ra được công
thức tính chuẩn số Nu
Re > 10000 : Nu = 0,02 . k . Re0,8 . Pr0,43 .
1000 < Re < 10000 : Nu = 0,158 . k . Re0,33 . Pr0,43. Gr0,1
k:

hệ số hiệu chỉnh l/d

Tính α
α=
Tính hệ số cấp nhiệt dòng lạnh
Vận tốc dòng lạnh :
=
d=

= 26.64 (mm) = 0,026 (m)

Tính chuẩn số Renolds :
Re =
: Độ nhớt của dòng lạnh, tra bảng theo phương pháp nội suy
: Đường kính ống dòng lạnh
Tính chuẩn số Prandtl :
Pr =
: Tra bảng theo phương pháp nội suy
Tính chuẩn số Gr :

Gr = .
9


g : gia tốc trọng trường 9,81 (m/s2)
l : ở đây là đường kính (m)
: hệ số giãn nở thể tích theo nhiệt độ
hiệu số nhiệt độ giữa tường và dòng lưu chất
Dựa vào chuẩn số Renolds ta xác định được chế độ chảy của dòng, từ đó suy ra được công
thức tính chuẩn số Nu
Re > 10000 : Nu = 0,02 . k . Re0,8 . Pr0,43 .
1000 < Re < 10000 : Nu = 0,158 . k . Re0,33 . Pr0,43. Gr0,1
k:

hệ số hiệu chỉnh l/d

6.4.3.4 Kết quả tính toán

Bảng 6-3 : kết qủa tính toán thiết bị truyền nhiệt ống xoắn (xuôi chiều )

10


STT

1

2

3

4

5

6

7

8

9

TN ()

5

6

7

4

4

4

4

4

4

TL()

3

4

4

4

3

2

1

2

1

N

(%)

31

43

58

33

33

33

31

33

33

L

(%)

19

29

33

33

25

17

8

17

8

hi

(%)

25

36

46

33

29

25

19

25

21

GN (kg/s)

0.17

0.17

0.17

0.22

0.22

0.22

0.27

0.27

0.27

GL(kg/s)

0.17

0.22

0.27

0.17

0.22

0.27

0.17

0.22

0.27

QN (J)

3500 4200

4900

3640

3640

3640

4480

4480

4480

QL (J)

2100 3640

4480

2800

2730

2240

700

1820

1120

Η (%)

60

86.67

91.43

76.92

75

61.54

15.63

40.63

2500

tmax

19

18

16

16

15

14

14

14

13

tmin

11

8

5

8

8

8

9

8

8

tlog

15

12

9

12

11

11

11

11

10

QN

3500 4200

4900

3640

3640

3640

4840

4840

4840

KTN

797

1135

1727

1051

1090

1132

1320

1393

1450

KLT

35

35

35

37

37

37

40

40

40

Bảng 6-4 : kết qủa tính toán thiết bị truyền nhiệt ống xoắn ( ngược chiều )

11


6.4.3.5

STT

1

2

3

4

5

6

7

8

9

TN ()

13

12

12

8

10

10

9

9

9

TL()

10

9

7

7

7

7

7

8

8

N

(%)

93

86

86

57

67

77

64

69

69

L

(%)

42

39

33

33

37

35

33

38

38

hi

(%)

67

62

60

45

52

56

49

54

54

GN(kg/s

0.17

0.17

0.17

0.22

0.22

0.22

0.27

0.27

0.27

QN (J)

9100

8400

8400

7280

7280

9100

10080 10080

10080

QL (J)

7000

8190

7840

4900

6370

7840

4900

7280

8960

Η (%)

76.92 97.50

93.33

67.31 87.50 86.15

48.61

72.22

88.89

tmax

14

14

14

14

12

13

14

13

13

tmin

11

11

9

13

11

10

12

12

12

tlog

12

12

11

13

11

11

13

12

12

QN

9100

8400

8400

7280

7280

9100

10080 10080

10080

KTN

2438

2251

2474

1798

2111

2653

2590

2689

2689

KLT

35

38

40

35

38

40

35

38

40

u đồ

12

Biể


Mối quan hệ giữa chênh lệch nhiêt độ và lưu lượng dòng (xuôi chiều)
8

7

6

T nóng (lạnh)

5

Lạnh 1
Lạnh 2
Lạnh 3
Nóng 1
Nóng 2
Nóng 3

4

3

2

1

0

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Lưu lượng dòng (l/ph)

Hình 6-1 :Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa chênh lệch nhiệt độ và lưu lượng
dòng trường hợp xuôi chiều

13


Mối quan hệ giữa chênh lệch nhiệt độ và lưu lượng (ngược chiều)
14
12

T nóng (lạnh)

10
8
6
4
2
0

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Lưu lượng dòng (l/ph)
Nóng 1

Nóng 2

Nóng 3

Lạnh 1

Lạnh 2

Lạnh 3

Hình 6-2: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa chênh lệch nhiệt độ và lưu lượng
dòng trường hợp ngược chiều

Biểu đồ thể hiện hệ số truyền nhiệt lí thuyết ở hai trường hợp ngược chiều và xuôi chiều
41
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31

1

2

3

4
Xuôi chiều

5

6

7

8

9

Ngược chiều

Hình 6-3: Biểu đồ thể hiện hệ số truyền nhiệt lí thuyết ở 2 trường hợp ngược
chiều và xuôi chiều
14


Biểu đồ thể hiện hệ số truyền nhiệt thực nghiệm xuôi chiều và ngược chiều
3,000

2,500

2,000

1,500

1,000

500

0

1

2

3

4
Xuôi chiều

5

6

7

8

9

Ngược chiều

Hình 6-4: Biểu đồ thể hiện hệ số truyền nhiệt thực nghiệm ở hai trường hợp xuôi

chiều và ngược chiều
6.5 Kết luận
Vì hệ số truyền nhiệt đặc trưng cho lượng nhiệt truyền từ lưu thể nóng tới lưu thể nguội
qua 1m2 bề mặt tường phẳng trong một đơn vị thời gian khi hiệu số chênh lệch nhiệt độ giữa
hai lưu thể là 1°.Hệ số truyền nhiệt càng lớn thì lượng nhiệt mà lưu thể lạnh nhận được từ
lưu thể nóng càng tăng.Nghĩa là quá trình truyền nhiệt càng đạt hiệu quả.Vậy ta có thể rút ra
kết luận rằng trong trường hợp ngược chiều thì quá trình truyền nhiệt diễn ra tốt hơn trường
hợp ngược chiều .
6.6 Tài liệu tham khảo
[1]. Trường Đại học Công nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh. Tài liệu hướng dẫn thực hành
Các quá trình và Thiết bị trong công nghệ Hóa Học. Lưu hành nội bộ. 2017
[2]. Bộ môn quá trình và thiết bị, Bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt - truyền khối,
Hồ Chí Minh: NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2015
15