Báo cáo thực hành truyền nhiệt Báo cáo thực hành truyền nhiệt GVHD NGUYỄN MINH TIẾN SVTH TRẦN VĂN THƠI Bài 4 THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG – HT36 4 1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Khảo sát quá trình truyền nhiệt khi đun nóng hoặc làm nguội gián tiếp giữa 2 dòng qua một bề mặt ngăn cách Tính toán hiệu suất toàn phần dựa vào cân bằng nhiệt lượng ở những lưu lượng dòng khác nhau Khảo sát ảnh hưởng của lưu, kích thước thiết bị đến quá trình truyền nhiệt Khảo sát ảnh hưởng của chiều chuyển động lên quá tr.
Trang 1Bài 4 THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG – HT36
4.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
- Khảo sát quá trình truyền nhiệt khi đun nóng hoặc làm nguội gián tiếp giữa 2 dòng qua một bề mặt ngăn cách
- Tính toán hiệu suất toàn phần dựa vào cân bằng nhiệt lượng ở những lưu lượng dòng khác nhau
- Khảo sát ảnh hưởng của lưu, kích thước thiết bị đến quá trình truyền nhiệt
- 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 thực nghiệm K TN của thiết bị từ đó so sánh với kết
quả tính toán theo lý thuyết K LT
Trang 24.2 THỰC NGHIỆM
4.2.1 Kết quả thí nghiệm
Bảng 4.1:Thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống.
TN Vn
(lit/ph)
V l (lit/ph) Tnv (oC) Tnr (oC) Tlv (oC) Tlr (oC)
4.2.2 Các công thức tính toán
Độ biến thiên nhiệt độ dòng nóng ,dòng lạnh :
∆T N = Tnóng vào (T1) Tnóng ra (T2)
∆T L = Tlành ra (T4) Tlạnh vào (T3)
Hiệu suất nhiệt độ quá trình truyền nhiệt :
Trang 3ηN = 100%
ηL = 100%
ηhi =
- Nhiệt lượng do dòng nóng toả ra : Q N = G N C N∆T N
- Nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào : Q L = G L C L∆T L
G N = V N..ρ
G L = V L ρ
với, ρ có thể tính bằng cách tra bảng“ BẢNG TRA CỨU QTCHTN-TK” bằng pp nội suy
với CN có thể tính bằng cách tra bảng “ BẢNG TRA CỨU QTCHTN-TK” bằng
pp nội suy
- Nhiệt tổn thất : Q f = Q N –Q L
- Hiệu suất quá trình truyền nhiệt : η = .100%
- Hiệu số nhiệt độ hữu ích : ∆tlog =
- Trường hợp hai lưu thể xuôi chiều :
∆tmax = Tnóng vào - Tlạnh vào
∆tmin = Tnóng ra - Tlạnh ra
- Trường hợp 2 lưu thể chảy ngược chiều :
∆t1 = Tnóng vào - Tlạnh vào
∆t2 = Tnóng ra - Tlạnh ra
Nếu ∆t1 > ∆t2 thì ∆t1 = ∆tmax và ∆t2 = ∆tmin
Trang 4Nếu ∆t1 < ∆t2 thì ∆t2 = ∆tmax và ∆t1 = ∆tmin
- Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm : KTN =
F = dtb.L
dtb =
d i , d 0 : đường kính trong và ngoài của ống truyền nhiệt
L: chiều dài ống truyền nhiệt
Trong bài thí nghiệm: L = 3.2m
- Hệ số truyền nhiệt lý thuyết đối với tường ống :
KLT = Nếu 2 nên ta có thể tính như tường phẳng
- Hệ số truyền nhiệt lý thuyết cho tường phẳng :
KLT =
δ độ dày của ống
hệ số dẩn nhiệt của ống (ở đây là ống thép không rỉ nên lấy 17,5 W/mK)
- Hệ số cấp nhiệt của dòng lưu chất
α =
- Chuẩn số Reynolds (Re)
Re =
W là vận tốc dòng : W =
là đường kính tương đương
ν độ nhớt của dòng lưu chất có thể tra bảng rồi tính bằng pp nội suy
Chuẩn số Prandtl (Pr) ta có thể dùng pp nội suy trong bảng tra “QTCHTN-TK”
Trang 5Chuẩn số Grashoff (Gr)
Gr =
g: gia tốc trọng trường, 9.81m/s2
β: hệ số giản nở thể tích, tra bảng và tính toán nội suy
∆t: độ chênh lệch nhiệt độ giữa chất lỏng và tường
- Tính chuẩn số Nusselt
Nếu lưu thế chảy xoáy : Nu = 0,021.εK.Re0,8.Pr 0,43 ()0,25
Nếu lưu thế chảy quá độ : Nu = 0,008 εK Re0,8.Pr 0,43
Nếu lưu thế chảy dòng ; Nu =0,015 εK Re0,8.Pr 0,43 Gr0,1 ()0,25
4.2.3 Xử lí số liệu
Thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống nhiều đoạn
Bảng 4.2 Hiệu suất nhiệt độ
TN
STn (oC)
STl (oC)
Trang 617 6 5 17.14286 14.28571 15.71429
Bảng 4.3 Hiệu suất truyền nhiệt
TN
Gn (kg/s) Gl
(kg/s)
Qn ( w )
Ql ( w ) Qf ( w ) n (% )
Trang 7Bảng 4.4 Hệ số truyền nhiệt
TN t max (oC) t min (oC) e t log (oC) Ktn (W/m^2.K) α n (W/m^2.K) αl ( W/m^2.K ) Klt (W/m^2.K)
Trang 84.2.4 Bài tập mẫu.
Xử lí số liệu thí nghiệm 10 :
Nhiệt độ dòng nóng trung bình: Ttbn = 0 C
Nhiệt độ dòng lạnh trung bình: Ttbl = 0 C
Tra bảng quá trình cơ học - truyền nhiệt - truyền khối ta được các giá trị:
Độ nhớt động học:
νn = 0.61*10-6 (m2/s) νl = 0.57*10-6 (m2/s)
Nhiệt dung riêng: Cn = 4180 (J/kg.độ) Cl = 4158.50 (J/kg.độ)
Hệ số dẫn nhiệt:
λn =0.637 (W/m.K) λl =0.635 (W/m.K)
Khối lượng riêng:
∆T N = T 1 – T 2 =62 - 55 = 70C, ∆T L = T 4 – T 3 = 35 – 31= 4 0C
Hiệu số nhiệt độ của các dòng – hiệu suất nhiệt độ quá trình truyền nhiệt:
ηN = = = 22.58 (%)
Trang 9ηL= = = 12.90 (%)
ηhi = = = 17.74 (%)
Lượng chất lỏng nóng và lạnh chảy qua bề mặt trao đổi nhiệt:
G N = (ρV)/60 = 984.04 *0.013/60 = 0.21 (kg/s)
G L = (ρV)/60 =994.76*0.01/60 = 0.16 (kg/s)
Nhiệt lượng dòng nóng tỏa ra:
Q N = G N C N∆T N =0.21448*4180 *6 = 6238.49 (W)
Nhiệt lượng dòng lạnh thu vào:
Q L = G L C L∆T L = 0.165 *4158.50 *4 = 2772.06 (W)
Nhiệt lượng tổn thất:
Q f = Q N –Q L = 6238.49 -2772.06 =3466.43 (W)
Hiệu suất của quá trình truyền nhiệt:
η =( Q L / Q N )*100 = (2772.06 /6238.49)*100 = 44.43 (%)
Hiệu số nhiệt độ trung bình:
∆t max = T1 – T3 = 62-31 = 31 0C ∆t min = T2 – T4 = 55-35= 20 0C
Δtlog = = = 25.099 0C
Đường kính trung bình của ống truyền nhiệt:
d = 0.5*(di+do) =0.5*(0.025+0.038) = 0.032 (m)
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt:
Trang 10F = π.d.L = π*0.0315*3.2 = 0.32 (m2)
Hệ số truyền nhiệt theo lý thuyết:
K TN = Q N / (F ∆t log ) = 6238.49/(0.32*25.099) = 785.28 (W/m2K)
Tốc độ dòng nóng và dòng lạnh:
Wn = (m/s)
Wl = (m/s)
Chuẩn số Prandtl:
Prn = =
Prl = =
Chuẩn số Reyolds:
Ren =
Rel =
=> Dòng nóng và dòng lạnh chảy xoáy
Ta có tỉ số L/d = 3.2/0.013 = 246.15 >> 50
Nên εk = 1
Để đơn giản ta cho
Chuẩn số Nuselt:
Nun = 0,021.εK.Re0,8.Pr 0,43 ()0,25 = 0.021×1×22226.170.8×3.15630.43×10.25= 103.36
Nul = 0,021.εK.Re0,8.Pr 0,43 ()0,25 = 0.021×1×24395.270.8×4.33940.43×10.25 = 121.95
= (W/m2k)
= (W/m2k)
Do tỉ lệ: < 2 nên ta có thể áp dụng phương trình truyền nhiệt của tường phẳng để tính toán cho đường ống
Trang 11KLT =
Trong đó, = = = 0.0065 (m)
λ là độ dẫn nhiệt của thép λ = 17.5
=> Klt = = 1357.31 (W/m2K)
4.3 ĐỒ THỊ
4.3.1Truyền nhiệt qua thiết bị ống lồng ống
Quan hệ giữa lưu lượng và hệ số truyền nhiệt K TN
Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt thực nghiệmK TN và lý thuyết K LT
Ảnh hưởng của hiệu suất nhiệt độ trong quá trình truyền nhiệt
Trang 12Ảnh hưởng của hiệu suất trong quá trình truyền nhiệt
4.4.BÀN LUẬN
− Do đầu dò nhiệt độ báo sai nên ta không đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến các hệ số ηn, ηl và ηhi mà chỉ đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố qua hệ
số truyền nhiệt Hệ số truyền nhiệt là đại lượng đặc trưng cho nhiệt lượng truyền từ lưu thể nóng đến lưu thể lạnh qua 1m2 bề mặt tường phẳng trong một đơn vị thời gian khi hiệu số chênh lệch nhiệt độ giữa 2 lưu thể là 1 độ
− Hệ số truyền nhiệt càng lớn thì nhiệt lượng truyền từ lưu thể nóng sang lưu thể lạnh càng lớn ,nghĩa là hiệu suất truyền nhiệt lớn
=> Qua đó ta thấy trong trường hợp truyền nhiệt qua ống lồng ống bằng thép không gỉ thì chuyển đông của hai lưu thể không ảnh hưởng nhiều đến hệ số truyền nhiệt
− Trên đồ thị Ktn cho thấy lưu lượng dòng ảnh hưởng rõ rêt khi các cột biêu diễn KTN thay đổi liên tục khi lưu lượng thay đổi Ngươc lai theo lý thuyết lại không như vậy, trong khi đó các chỉ số tăng cao và đồng đều khi lưu lượng thay đổi
4.4.1 Ảnh hưởng của lưu lượng dòng đến quá trình truyền nhiệt:
- Trong cùng một lưu lượng nóng bằng nhau (VN =const), khi tăng lưu lượng dòng lạnh (Vl = 8,10,13,16 l/phút) thì hệ số truyền nhiệt sẽ tăng dần
Trang 134.4.2 Đánh giá sự ảnh hưởng của chiều chuyển động các dòng đến quá
trình truyền nhiệt:
- Đối với hệ số truyền nhiệt tính từ thực nghiệm ta nhận thấy KTN lớn hơn KLT
=> Qua đó ta có thể kết luận, trong trường hợp truyền nhiệt ống lồng ống Đồng loại thẳng thì chiều chuyển động không có liên quan nhiều đến hệ số truyền nhiệt
4.4.3 So sánh hệ số truyền nhiệt thực nghiệm với hệ số truyền nhiệt lý
thuyết:
- Trong trường hợp xuôi chiều, ta thấy ở mức lưu lượng VN= 8 l/ph KTN nhỏ hơn KLT còn ở mức VN =10,13,16 l/ph trở đi thì KLT nhỏ hơn nhiều so với KTN
- Sở dĩ có sự khác nhau như vậy là vì trong quá trình tính toán KTN chỉ có tính đến QN và Δtlog mà 2 yếu tố này lại phụ thuộc vào nhiệt độ do các đầu dò báo
về KTN =
- Việc đầu dò báo sai chúng ta có thể hiệu chỉnh được Nhưng Qf mà âm thì
có thể là do quá trình truyền nhiệt từ dòng nóng sang dòng lạnh, nhiệt lượng
đã bị mất mát hao tổn ra bên ngoài Lượng nhiệt tổn thất này không thể đo chính xác Chính nó đã làm cho việc tính toán không ổn định Bởi vì khi tăng lưu lượng dòng lạnh hay lưu lượng dòng nóng càng lớn, nhiệt truyền từ dòng nóng sang dòng lạnh càng cao, thì lượng nhiệt tổn thất này cũng tăng lên nhanh chóng Có thể thấy rõ trên đồ thị tại các mức lưu lượng VL = 10,13,16 l/ph hệ số truyền nhiệt không có chênh lệch nhiều so với VL= 8 l/ph, trong khi đó đường hệ số truyền nhiệt lý thuyết có sự tăng vọt của
VL=10,13,16 l/ph so với VL=8 l/ph
- Trong quá trình tính toán KLT thì ta sẽ đi tính các chuẩn số đồng dạng như Nusselt, Reynolds, Prandlt, Grashoff để tính hệ số cấp nhiệt của dòng nóng
αN và của dòng lạnh αL Ta nhận thấy αN của dòng nóng có giá trị xấp xỉ bằng nhau ở cùng một mức lưu lượng VN và tăng lên khi VN tăng Đối với αL của dòng lạnh thì tăng dần khi VL tăng hoặc VN tăng, điều này
được giải thích là do VL tăng dẫn đến vận tốc dòng lạnh tăng dẫn đến Re tăng dẫn đến Nusselt tăng tỷ lệ thuận với αL Hơn nữa ở mức VL= 8 l/ph,
Trang 14dòng lạnh chủ yếu là chảy xoáy Re >10000 , nên có αL thấp nhất khi áp dụng công tính chuẩn số Nusselt
Ta thấy rằng hệ số cấp nhiệt αL của dòng lạnh lớn hơn hẳn αN dòng nóng Có nghĩa là dòng lạnh nhận được lượng nhiệt từ nguồn nóng trong một đơn vị thời gian là rất lớn và khả năng cấp nhiệt của dòng nóng là chưa tương xứng với dòng lanh
4.4.4 Một vài nhận xét về thiết bị:
- Thiết bị truyền nhiệt loại đường ống sử dụng trong bài thí nghiệm này có thể
sử dụng được cho nhiều loại ống khác Khảo sát quá trình truyền nhiệt trong hai trường hợp chảy xuôi chiều và chảy ngược chiều
- Thiết bị dễ tháo lắp dễ dàng khi thay bộ phận, nhưng một vài chỗ còn khiếm khuyết như không có bộ phận cách nhiệt giữa nồi đun với môi trường bên ngoài, không có bộ phận cách nhiệt với giữa đường ống với môi trường bên ngoài để giảm tối thiểu nhiệt tổn thất, bộ điều khiển sử dụng là loại ON-OFF nên độ trễ thời gian lớn, đầu dò nhiệt độ hay đo sai, vị trí đặt đầu dò không chính xác Để cải thiện những điều này thì khó thực hiện, cần phải có thêm thời gian và công sức