BÁO cáo THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH THIẾT bị đối lưu NHIỆT

Nhiệt độ tại thành ngoài ở đầu vào đầu dưới và đầu ra đầu trên của ống t2, t4 ở các chế độ thí nghiệm không thay đổi nhiều Ở chế độ thí nghiệm “0”, lượng nước ngưng lớn hơn nhiều so với

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH - THIẾT BỊ

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH - THIẾT BỊ

ĐỐI LƯU NHIỆT

Bài 7 TRUYỀN NHIỆT ĐỐI LƯU BÁO CÁO THÍ NGHIỆM:

I KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THÔ:

Bảng 1

ST

T

0 1 / 4 1 / 2 3 / 4 1 1 1 / 4 1 1 / 2

12 Lượng nước chảy trong ống (ml) 540 540 720 450 560 510 630

13 Thời gian đo nước chảy trong ống (s) 60 60 60 30 30 40 30

II KẾT QUẢ TÍNH TOÁN:

Bảng 2.

ST

T

Các đại lượng

đo

Vị trí tấm chảy tràn (inch)

7 tS (oC) 116.05 116.05 116.05 116.05 116.05 116.05 116.05

t N=t1+t3

t Vng=t2+t4

10 t´Vtr ≈ ´ t Vng , oC 97 97 90 95.5 97 92.5 93

m=t S+ ´t Vng

2 , oC

106.52

5 106.525 103.025 105.775 106.525 104.275 104.525

12 t´

C=t S+t ' C

2 , oC 96.525 96.525 78.525 90.025 93.025 90.025 86.525

13 ∆ t= ´ t Vtr− ´t N , K 42 47.5 51.5 54 57 55 55

14 G N 103¿ 8.872 8.895 11.914 14.875 18.522 12.663 20.853

15 G C 103¿ 0.6213 0.2230 0.3336 0.2707 0.3345 0.2703 0.1762

Bảng 3.

Nước

chảy

trong

ống

CPN (J/kg.K) 4.1783 4.1764 4.1744 4.1747 4.1745 4.1742 4.1743

.102

 (kg/m3 ) 985.73 988.295 992.815 991.67 992.25 993.18 993

.106 (m2 /s) 0.5137 0.5607 0.6798 0.6434 0.6611 0.6928 0.6862

.103 (Ns/

m2 ) 0.5064 0.5541 0.67495 0.638 0.656 0.6881 0.6814

vtr.103 (Ns/

m2 ) 0.293 0.293 0.3165 0.29785 0.293 0.30775 0.306

Nước

ngưng

tụ

CPC (J/kg.K) 4.200 4.200 4.1858 4.1939 4.1964 4.1939 4.1912

C.102 (W/

mK) 68.349 68.349 68.430 68.366 68.349 68.401 68.395

C (kg/m3 ) 955.8155 955.815 953.232 955.262 955.815 954.155 954.339

C.107 (m2 /

s) 2.8727 2.8727 2.7703 2.8508 2.8727 2.8069 2.8143

C.104 (Ns/

m2) 2.74575 2.74575 2.64075 2.72325 2.74575 2.67825 2.68575

CPS (J/kg.K) 4.2119 4.2119 4.2119 4.2119 4.2119 4.2119 4.2119

S.102

(W/mK) 68.430 68.430 68.430 68.430 68.430 68.430 68.430

S (kg/m3 ) 962.8449 962.845 962.845 962.845 962.845 962.845 962.845

Hơi rS.10-3 (J/kg) 2212.804 2212.8 2212.8 2212.8 2212.8 2212.8 2212.8

bão

hòa

Bảng 4.

ST

T

Nhiệt lượng,

tổ thất nhiệt

Vị trí tấm chảy tràn (inch)

1 Q1 (W) 1779.3 1523.1 944.9 1552.5 1701.0 898.6 1566.8

3 Q (W) -353.6 -1011.3 -154.3 -924.0 -928.5 -270.9 -1155.2

4 Q (%) -19.87 -66.40 -16.33 -59.52 -54.58 -30.14 -73.73

Bảng 5.

Các đại lượng Côn

g thức

Vị trí tấm chảy tràn (inch)

Trao

đổi

nhiệt

phía

nước

chảy

trong

ống

PrVtr Tra

) 2049327 1562689 918069 1541181 1576538 971141 976161

NuN (12),

(13) 9.911 10.091 11.398 12.116 20.241 11.699 22.015 (N)TT

hay

(tr)TT,

W/m2

K

(12), (13)

462.210 463.980 512.093 566.923 929.619 526.981 990.337

(N)TT

hay

(tr)TT,

1602.70

5 1213.062 694.147 1087.656 1129.020 618.100 1077.763

W/m2

K

Trao

đổi

nhiệt

phía

nước

ngưng

tụ

(C) TT,

W/m2

K

(16)

6324.29

0 6324.290 5902.923 6217.750 6324.290 6033.399 6061.815 (C) TN,

W/m2

K

(7)

2472.98

1002.92 4

1010.51 9

1340.09

2 880.769 590.144 (NuC)

TT.10-5

(17) 5644.29

8 5644.298 5261.969 5547.797 5644.298 5380.563 5406.364

Truyề

n nhiệt

tổng

quát

Q =

Q1, W

(1) 1779.26

8 1523.053 944.925 1552.472 1701.042 898.587 1566.840

Tlog,

K

(10)

57.764 64.389 77.161 73.846 75.517 78.242 77.703

KTT,

W/m2

K

(19)

430.73 432.27 471.21 519.55 810.48 484.65 851.26

KTN,

W/m2

K

(9)

1165.32

6 894.880 463.301 795.349 852.185 434.490 762.868 K’TT,

W/m2

K

(20)

430.584 432.120 471.039 519.339 809.968 484.465 850.694

K’TT/

KTT

III ĐỒ THỊ:

Dựa vào kết quả tính toán trong bảng 5 vẽ các đồ thị biểu diễn các mối quan hệ sau:

 NuN = f(Re)

1616 1481 1629 2151 2605 1698 2824 0.000

5.000 10.000 15.000 20.000 25.000

Nu=f(Re)

Re

 Ktt = f(Re)

0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00

Ktt=f(Re)

Re

Các mối tương quan so sánh:

 (N)tt và (N)TN

0.000

200.000

400.000

600.000

800.000

1000.000

1200.000

1400.000

1600.000

1800.000

(alphaN)TT & (alphaN)TN

(alphaN)

tt (alphaN)T N

Chế độ thí nghiệm

 (C)tt và (C)TN

0.000 1000.000

2000.000

3000.000

4000.000

5000.000

6000.000

7000.000

(alphaC)TT & (alphaC)TN

(alphaC)tt (alphaC)TN

Chế độ thí nghiệm

 Ktt và KTN

0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00 1400.00

Ktt & Ktn

Ktt Ktn

Chế độ thí nghiệm

IV BÀN LUẬN

1 Nhận xét kết quả thô

Ở chế độ thí nghiệm “0”, “1/4”, chênh lệch nhiệt độ tại đầu vào (t1) và nhiệt độ đầu ra (t3) khá lớn (t > 40) Còn ở các chế độ còn lại, chênh lệch nhiệt độ không quá lớn (t ~ 20) Vì ở chế độ thí nghiệm “0” là đối lưu nhiệt tự nhiên nên chênh lệch nhiệt độ là động lực sự chuyển động của dòng lưu chất

Nhiệt độ tại thành ngoài ở đầu vào (đầu dưới) và đầu ra (đầu trên) của ống (t2, t4)

ở các chế độ thí nghiệm không thay đổi nhiều

Ở chế độ thí nghiệm “0”, lượng nước ngưng lớn hơn nhiều so với các chế độ thí nghiệm còn lại

2 Nhận xét, đánh giá và bàn luận về kết quả tính toán

2.1 Giải thích tại sao khi thí nghiệm với vị trí tấm chảy tràn ở mức “0” mà nước trong ống vẫn chảy ra

2.2 Nhận xét về mức độ tổn thất nhiệt

Theo lý thuyết, trong trường hợp có tổn thấy nhiệt thì lượng nhiệt tỏa ra của hơi nước ngưng tụ luôn lớn hơn lượng nhiệt dòng nước lạnh nhận được Ở bài thí nghiệm này, tổn thất nhiệt tổng cộng <0, điều này không phù hợp với lý thuyết Nguyên nhân dẫn đến sai khác ở thí nghiệm có thể là do do hơi nước trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài trong thiết bị trao đổi nhiệt

2.3 Nhận xét và giải thích về ảnh hưởng của vị trí tấm chảy tràn lên các hệ số

 (N)TT được tính theo công thức:

Nu= α N d tr

λ =

α tr d tr λ

Theo lý thuyết, vị trí tấm chảy tràn càng cao → chênh lệch về cột áp càng lớn → lưu lượng dòng lạnh càng tăng → tốc ộ tăng → Re tăng độ tăng → Re tăng

ℜ=w d tr

v

Tốc ộ dòng tăng → Hiệu quả truyền nhiệt thấp → Nhiệt ộ trung độ tăng → Re tăng độ tăng → Re tăng bình của dòng lạnh càng giảm →  tăng → Pr tăng

Pr= v

a=

C μ

λ

→ Nu càng tăng (công thức 13) → (N)TT càng tăng

→ Nhìn chung, ở chế độ “0”, “1/4”, “1/2”, “3/4”, “1” (N)TT tăng phù hợp với lý thuyết Tuy nhiên ở 2 chế độ “1 ¼” “1 ½” lại đột ngột giảm, sai lệch này có thể do sai số trong quá trình thí nghiệm

 (N)TN ược tính theo công thức:độ tăng → Re tăng

α tr= Q1

(t vtr− ´t N)F tr

(N)TN phụ thuộc vào thay ổi của Qđộ tăng → Re tăng 1 và ộ lệch nhiệt ộ giữa vách độ tăng → Re tăng độ tăng → Re tăng trong và nhiệt ộ trung bình của nước chảy trong ống Trừ vị trí tấmđộ tăng → Re tăng chảy tràn ầu tiên ( ối lưu tự nhiên ) thì các vị trí tấm chảy tràn độ tăng → Re tăng độ tăng → Re tăng càng cao ( ối lưu cưỡng bức) thì ộ chênh lệch của tđộ tăng → Re tăng độ tăng → Re tăng vtr và tN giảm (do hiệu suất truyền nhiệt giảm) → (N)TN tăng

Trong bài thí nghiệm này, (N)TN lúc tăng lúc giảm không ổn ịnh Điều độ tăng → Re tăng này không úng với lý thuyết có thể là do sai lệch trong thao tác thí độ tăng → Re tăng nghiệm Đặc biệt ở là hơi dùng ể cấp nhiệt là hơi bão hòa nên sẽ có độ tăng → Re tăng xảy ra sự ngưng tụ một phần làm ảnh hưởng ến kết quả tính toánđộ tăng → Re tăng

 (C)TT được tính theo công thức:

Nu= α c d ng

λ =

α ng d ng λ

 (C)TN tính theo công thức:

α ng= Q2

(t s−t Vng)F ng

(C)TT, (C)TN tương tự như (N)TT, (N)TN

 Hệ số truyền nhiệt tổng quát

Công thức tính:

K TT= 1

1 (α¿¿N) TT+ 1

(α¿¿C) TT¿

¿

Theo lý thuyết, KTT sẽ càng tăng khi (N)TT và (C)TT tăng Trong bài thí nghiệm này, vì (N)TT và (C)TT tăng giảm không đều ở các chế độ nên KTT cũng không

ổn định Nhìn chung thì KTT tăng, chỉ có KTT ở chế độ “1 ½” là giảm đột ngột Điều này có thể lý giải là do sai số trong quá trình thí nghiệm

K TN= Q

F tr ∆ tlog

Hệ số truyền nhiệt tổng quát thực nghiệm Phụ thuộc vào Q và tlog Mà tlog

∆ tlog=(t s−t3)−(t s−t1)

lnt s−t3

t s−t1

Ở bài thí nghiệm này tS được lấy theo áp suất P3, mà P3 không thay đổi nên ts

lúc này là hằng số Nhìn chung, trừ tlog ở chế độ “0” và “1/4” ra, thì ở các chế

độ còn lại tlog thay đổi không đáng kể Mà Q1 tăng không đều ở các chế độ, dẫn đến cuối cùng KTN cũng ko tăng giảm không ổn định

2.4 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 ngưng tụ ngoài ống và hệ số truyền nhiệt tổng quát

- Hệ số cấp nhiệt phía nước trong ống

Dựa vào đồ thị 3 → (α N)TN>(α N)TT

- Hệ số cấp nhiệt phía nước ngoài ống

Dựa vào đồ thị 4 → (α C)TN<(α C)TT

- Hệ số truyền nhiệt tổng quát

Dựa vào đồ thị 5 → K TT<K TN ở chế ộ “0”, “1/4”, “3/4” “1”độ tăng → Re tăng

K TT>K TN ở chế độ “1/2”, “1 ¼”, “1 ½”

Các giá trị tính toán của hệ số cấp nhiệt phí nước trong ống và hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ ngoài ống đều luôn nhỏ hơn các giá trị thực nghiệm 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

Tuy nhiên, giá trị hệ số truyền nhiệt tổng quát tính toán và thức nghiệm lại có sự khác biệt ở các chế độ Điều này có thể giải thích là do sai số trong lúc thao tác thí nghiệm và làm tròn số trong tính toán

λ V)

Hệ số truyền nhiệt tổng quát

K TT= 1

1 (α¿¿N) TT+ 1

(α¿¿C) TT¿

¿

Hệ số truyền nhiệt có kể đến ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống δ V/λ V

K ' tt= 1

1 (α¿¿N ) TT+δ V

λ V+

1 (α¿¿C) TT¿

¿

Theo kết quả thí nghiệm ta thấy K ' tt<K tt nghĩa là hệ số truyền nhiệt có kể đến ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống lớn hơn hệ số truyền nhiệt tổng quát Tuy nhiên, ta có thể thấy

K ' tt

K tt

1+δ V

λ V K tt

≈1

Vậy có thể kết luận, nhiệt trở của thành ống có ảnh hưởng không đáng kể theo khoảng cách vủa vạch chảy tràn và vị trí cao nhất của ống dẫn nước lạnh

2.6 Nhận xét về độ tin cậy của kết quả thí nghiệm, ước lượng sai số và nêu những nguyên nhân dẫn đến sai số

a Độ tin cậy của kết quả thí nghiệm

Độ tin cậy của kết quả thí nghiệm không cao Vì bài thí nghiệm này yêu cầu phải tiến hành ở chế độ truyền nhiệt ổn định Có nghĩa là các thông số sẽ

được đo và tính toán theo truyền nhiệt ổn định Nhưng trên thực tế, các quá trình truyền nhiệt đều diễn ra ở chế độ không ổn định Mặt khác, hơi cấp

nhiệt là hơi bão hòa nên có thể bị ngưng tụ một phần trong quá trình di

chuyển đến buồng trao đổi nhiệt Chưa kể, trong lúc thí nghiệm có thể có

những sai số do người thí nghiệm chọn sai thời điểm ổn định để đo các đại

lượng hoặc là do hệ thống hoạt động có vấn đề

b Ước lượng sai số

(N)TT 462.210 463.980 512.093 566.923 929.619 526.981 990.337 (N)TN 1602.705 1213.062 694.147 1087.656 1129.02 618.100 1077.763 Sai số 246.748 161.447 35.551 91.852 21.450 17.291 8.828

(C) TT 6324.290 6324.290 5902.92 6217.75 6324.29 6033.4 6061.815 (C) TN 2472.981 887.737 1002.92 1010.52 1340.09 880.769 590.144 Sai số -60.897 -85.963 -83.010 -83.748 -78.810 -85.402 -90.265

KTN 1165.326 894.880 463.301 795.349 852.185 434.490 762.868 Sai số 170.547 107.020 -1.679 53.084 5.145 -10.350 -10.384

- Ở bảng N, ta thấy sai số đều dương → giá trị thực nghiệm lớn hơn các

giá trị tính toán

- Ngược lại, Ở bảng C, sai số là số âm → giá trị tính toán lớn hơn các

giá trị thực nghiệm

- Ở bảng K, sai số lúc âm lúc dương không đều

→ Nhìn chung các giá trị sai số giữa tính toán và thực tế rất lớn → Mức ộđộ tăng → Re tăng

tin tưởng của thí nghiệm khá thấp

c Những nguyên nhân dẫn đến sai số

- Các giá trị hiện trên đồng hồ hiện số dao động nhanh → ọc các giá trịđộ tăng → Re tăng không cùng lúc

- Giá trị N được tính toán ở chế độ chảy màng (Re < 2300), tuy nhiên trong thí nghiệm này, ở chế độ “1” và “1 ½” lại ở chế độ chuyển tiếp (2300 < Re < 10 000)

- Do hệ thống hoạt động không ổn định

- Sai số trong quá trình vận hành, đọc các thông số thí nghiệm

- Sai số trong quá trình tính toán, tra bảng …

V PHỤ LỤC

1 Tính toán cho bảng 3

- Chuyển đổi đơn vị nhiệt độ, áp suất, tính toán lưu lượng nước

t o C=5

9(t

o

F −32)

1 PSI =0.069 ¯¿

1 at=0.981 ¯¿

- Các giá trị áp suất đo được qua áp kế P3 xác định được nhiệt độ ts theo bảng tra cứu quá trình thiết bị cơ học – truyền nhiệt – truyền khối

- Lưu lượng thể tích:

G V=V

t

V thể tích nước đo được (m3)

t thời gian đo (s)

- Lưu lượng khối lượng

G=G V ρ= V

t ρ

2 Tính toán cho bảng 4

Các thông số vật lý tham gia trong quá trình tính toán gồm có

- Các thông số vật lý của nước chảy trong ống: CPN, , , v, , Pr, , Vtr

Được xác định ở nhiệt độ trung bình của nước chảy trong ống:

´

t N=t1+t2

2 Riêng Vtr được xác định ở nhiệt độ ´t Vtr ≈ ´t Vng

- Các thông số của nước ngưng tụ ở áp suất thí nghiệm CPC, C, C, vC, C, CPS,

S, S, PrS, Prvtr

Các thông số có chữ “c” xác định ở nhiệt độ trung bình t m=t s+´t Vng

2 Các thông số có chữ “s” xác định ở nhiệt độ ts

Các thông số có chữ “vng” xác định ở nhiệt độ được xác định ở nhiệt độ tVng

- Các thông số vật lý của hơi nước bão hòa ở áp suất thí nghiệm rs được xác định

ở nhiệt độ ts của hơi nước bão hòa

3 Tính toán cho bảng 5

- Nhiệt lượng Q1 được tính theo công thức (1)

- Nhiệt lượng Q2 được tính theo công thức (2)

- Tổn thất nhiệt: ∆ Q=Q2−Q1

- Tỷ lệ tổn thất nhiệt:

∆ Q (%)= ∆ Q

Q1 × 100 %

4 Tính toán cho bảng 6

Các thông số được tính toán theo công thức

VI TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] V P Isachenco, V A Osipova, A S Sukomel, “Heat transfer”, Moscow, 1977 [2] Phạm Văn Bôn, Nguyễn Đình Thọ, “Quá trình và thiết bị truyền nhiệt”, ĐHBK

Tp HCM, 1992

[3] Hoàng Đình Tín, “Truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt” ĐHBK Tp HCM, 1996