Hệ thống thí nghiệm Hệ thống thiết bị thí nghiệm có hai kiểu kết cấu bề mặt truyền nhiệt sau: Kiểu A: loại ống lồng ống mà lưu chất chảy ngang mặt ngồi ống Hai dịng chảy có phương vng góc với Kiểu B: loại ống đơn giản, lưu chất chảy ngang bề mặt ống Hai dịng chảy có phương song song với Kích thước ống: Kiểu ống Đường kính (mm) Chiều dài (mm) Ống Ống A ϕ 17/21 ϕ 30/24 1020 B ϕ17/21 ϕ30/24 1020 Tủ điều khiển Sơ đồ ngun lý 1.2 Trình tự thí nghiệm Kiểm tra lượng nước bồn Mở cầu dao nguồn, bật công tắc NGUỒN hộp điều khiển Bật công tắc GIA NHIỆT Đèn hoạt động màu đỏ sáng Sau nước bồn gia nhiệt ổn định nhiệt độ, bắt đầu làm thí nghiệm Mở van 3, bấm nút BƠM, đèn hoạt động bơm sáng Bơm ly tâm hoạt độngvà bơm tuần hoàn. Chờ thời gian để bơm ổn định chờ nhiệt độ đạt đến khoảng 90 oC mở cặp van tương ứng: 4/8, 5/9, 6/10 Điều chỉnh cặp van 2, để điều chỉnh lưu lượng dịng nóng chỉnh van để điều chỉnh lưu lượng dòng lạnh theo yêu cầu Chỉ số lưu lượng đọc lưu lượng kế Chờ khoảng 5-10 phút trình ổn định, ấn giữ nút để xem nhiệt độ vị trí tương ứng Sau đo xong tất thông số cần thiết, tắt công tắc GIA NHIỆT, tắt BƠM, tắt công tắc nguồn CB
TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ (MÃ MH: 602047) BÀI 6: TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG Ngày TN: 29/10/2020 Giảng viên: TS Nguyễn Quốc Hải Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hùng Anh 61702068 Lê Ngọc Hân 61702099 Lý Quốc Khánh 61702131 Nguyễn Ngọc Thùy Linh 61702144 Ngô Vũ Lợi 61702150 Nguyễn Hồng Long 61702151 Nguyễn Thị Minh Thư 61702250 NHĨM: 03 - 03 HỌC KỲ I/ 2020-2021 MỤC LỤC MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Mục tiêu thí nghiệm 1.2 Cơ sở lý thuyết PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH .3 2.1 Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm 2.2 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 2.3 Các bước tiến hành .3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 3.1 Số liệu thô 3.2 Xử lý số liệu BÀN LUẬN 4.1 Hùng Anh 4.2 Ngọc Hân 4.3 Quốc Khánh 4.4 Thùy Linh 4.5 Vũ Lợi 4.6 Hoàng Long .8 4.7 Minh Thư MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Làm quen với thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống, dụng cụ đo nhiệt độ lưu lượng lưu chất Xác định hệ số truyền nhiệt trình truyền nhiệt hai dịng nóng lạnh qua vách kim loại chế độ chảy khác Thiết lập cân nhiệt lượng Khảo sát ảnh hưởng theo phương pháp truyền nhiệt song song chiều, song song ngược chiều vng góc Khảo sát ảnh hưởng theo phương pháp truyền nhiệt song song chiều, song song ngược chiều vng góc CƠ SỞ LÝ THUYẾT TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM 1.1 Hệ thống thí nghiệm Hệ thống thiết bị thí nghiệm có hai kiểu kết cấu bề mặt truyền nhiệt sau: Kiểu A: loại ống lồng ống mà lưu chất chảy ngang mặt ngồi ống Hai dịng chảy có phương vng góc với Kiểu B: loại ống đơn giản, lưu chất chảy ngang bề mặt ống Hai dịng chảy có phương song song với Kích thước ống: Kiểu ống Đường kính (mm) Chiều dài (mm) Ống Ống A ϕ 17/21 ϕ 30/24 1020 B ϕ17/21 ϕ30/24 1020 Tủ điều khiển Sơ đồ ngun lý 1.2 Trình tự thí nghiệm Kiểm tra lượng nước bồn Mở cầu dao nguồn, bật công tắc NGUỒN hộp điều khiển Bật công tắc GIA NHIỆT Đèn hoạt động màu đỏ sáng Sau nước bồn gia nhiệt ổn định nhiệt độ, bắt đầu làm thí nghiệm Mở van 3, bấm nút BƠM, đèn hoạt động bơm sáng Bơm ly tâm hoạt độngvà bơm tuần hoàn. Chờ thời gian để bơm ổn định chờ nhiệt độ đạt đến khoảng 90 oC mở cặp van tương ứng: 4/8, 5/9, 6/10 Điều chỉnh cặp van 2, để điều chỉnh lưu lượng dịng nóng chỉnh van để điều chỉnh lưu lượng dòng lạnh theo yêu cầu Chỉ số lưu lượng đọc lưu lượng kế Chờ khoảng 5-10 phút trình ổn định, ấn giữ nút để xem nhiệt độ vị trí tương ứng Sau đo xong tất thông số cần thiết, tắt công tắc GIA NHIỆT, tắt BƠM, tắt công tắc nguồn CB Mở nắp bồn gia nhiệt cho nước nguội bớt Khóa tất van lại KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM a Số liệu thơ Bảng 1: Kết đo cho ống loại A Lưu lượng dịng nóng Lưu lượng dòng (L/p) lạnh (L/p) 10 Tv1(oC) Tr1(oC) Tv2(oC) Tr2(oC) 86.6 76.6 30.0 40.7 86.4 75.8 30.0 37.6 12 85.7 74.8 30.0 36.4 85.8 78.5 30.0 44.1 85.3 77.5 30.0 38.2 12 85.4 77.2 30.0 37.0 85.4 78.9 30.0 44.2 84.8 78.0 30.0 38.0 12 84.4 77.4 30.0 38.6 Tv1(oC) Tr1(oC) Tv2(oC) Tr2(oC) 84.4 73.2 30.0 39.0 84.0 73.5 30.0 37.7 12 83.7 72.8 30.0 36.2 84.4 77.6 30.0 40.5 84.0 76.1 30.0 38.4 12 83.5 75.0 30.0 37.0 84.3 78.1 30.0 40.7 83.8 76.5 30.0 38.4 12 83.8 75.8 30.0 37.4 Bảng 2: Kết đo cho ống loại B1 Lưu lượng dịng nóng Lưu lượng dòng (L/p) lạnh (L/p) 10 Bảng 3: Kết đo cho ống loại B2 Lưu lượng dịng nóng Lưu lượng dịng (L/p) lạnh (L/p) 10 Tv1(oC) Tr1(oC) Tv2(oC) Tr2(oC) 84.6 75.6 30.0 38.8 84.2 73.6 30.0 36.8 12 83.7 72.2 30.0 35.8 84.3 78.0 30.0 40.2 83.4 75.6 30.0 38.1 12 83.5 75.0 30.0 37.1 84.3 78.2 30.0 40.2 83.8 76.7 30.0 38.7 12 83.2 75.4 30.0 37.6 b Xử lý số liệu 4.1 Tính tốn cho ống A 4.1.1 Tính nhiệt lượng Q Xét trường hợp lưu lượng dịng nóng 4L/phút, lưu lượng dịng lạnh 4L/phút, ta có: tv1=86.6oC; tr1=76.6oC tv2=30oC; tr2=40.7oC Nhiệt độ trung bình dịng nóng ống: ttb1=( tv1 + tr1)/2 =(86.6+76.6)/2=81.6oC Từ ttb1 tra bảng ta khối lượng riêng nhiệt dung riêng lưu chất ρ=970.88(kg/m3) C1=4190 (J/kg.K) Lưu lượng dịng nóng: G1=4 (L/phút)= (m3/s)=0.065(kg/s) Nhiệt lượng dịng nóng: = =2723.5 W Nhiệt độ trung bình dịng lạnh ống: ttb2=( tv2 + tr2)/2 =(40.7+30)/2=35.35oC Từ ttb2 tra bảng ta khối lượng riêng nhiệt dung riêng lưu chất ρ=993.86(kg/m3) C1=4180 (J/kg.K) Lưu lượng dòng lạnh: G1=4 (L/phút)= (m3/s)=0.066(kg/s) Nhiệt lượng dòng lạnh: = =2951.916 W Tổn thất nhiệt lượng: W Bảng 4.1.1: Một số thông số vật lý nước theo nhiệt độ Ttb1(oC ) 81.6 81.1 80.25 82.15 81.4 81.3 82.15 81.4 80.9 Ttb2(oC ) 35.35 33.8 33.2 37.05 34.1 33.5 37.1 34 34.3 C1(J/ kg.K) 4190 4190 4190 4190 4190 4190 4190 4190 4190 C2(J/ kg.K) 4180 4180 4180 4180 4180 4180 4180 4180 4180 ρ1(kg/ m3) 970.88 971.23 971.825 970.495 971.02 971.09 970.945 971.02 971.37 ρ2(kg/ m3) 993.86 994.48 994.72 993.18 994.36 994.6 993.16 994.4 994.28 Bảng 4.1.2: Kết tính toán nhiệt lượng Q tổn thất nhiệt G1(kg/s) 0.065 0.065 0.065 0.129 0.129 0.129 0.162 0.162 0.162 G2(kg/s) 0.066 0.133 0.199 0.066 0.133 0.199 0.066 0.133 0.199 Q1(W) 2723.5 2886.91 2968.615 3945.723 4215.978 4432.182 4412.07 4615.704 4751.46 Q2(W) 2951.916 4225.144 5323.648 3889.908 4558.708 5822.74 3917.496 4447.52 7153.652 ∆Q (W) -228.416 -1338.23 -2355.03 55.815 -342.73 -1390.56 494.574 168.184 -2402.19 4.1.2 Tính Δtlog Trong đó: ∆tl: Hiệu số nhiệt độ lớn chất tải nhiệt ∆tn: Hiệu số nhiệt độ nhỏ chất tải nhiệt Đối với ống A: ∆tI= tv1-tr2 ∆tII=tr1-tv2 So sánh ∆tI với ∆tII, cao Δtl Trường hợp đặc biệt ∆tl/∆tn 10000 Nu = 0,021.Re0,8.Pr0,43.(Pr/Prv)0,25 α 1=( Nu1 x 1) /l α 2=(Nu x ❑2 )/l Nu 1, Nu 2: chuẩn số Nu dịng nóng dịng lạnh ❑1 ,2 : hệ số dẫn nhiệt dịng nóng dịng lạnh l : kích thước hình học đặc trưng Bảng 4.3.7: Kết tính hệ số cấp nhiệt α1, α2 Gnóng Glạnh (L/ph) (L/ph) Δt t v Prv1 Nu1 α1 W/m2.K Δt2 tv2 Prv2 Nu2 α2 W/m2.K 4 17.490 25.106 12 28.939 11.279 8 17.728 12 22.150 10 9.527 10 15.563 10 12 19.672 Kiểm tra lại Δt 1, Δ t 2: 62.61 53.79 49.01 69.87 61.77 57.10 71.72 64.68 59.62 Δt 1= 2.868 67.18 3.328 63.37 3.616 62.04 2.556 117.99 2.904 114.19 3.142 111.96 2.491 141.97 2.778 138.09 3.001 135.38 K t log α1 3239.27 3051.85 2985.01 5693.86 5502.73 5394.15 6851.57 6659.39 6522.51 Δt 2= 26.126 8.274 10.018 61.58 3848.996 18.334 15.066 8.120 112.96 7042.378 14.052 18.848 7.277 160.55 9996.485 32.774 2.326 12.665 58.08 25.755 8.345 9.986 107.29 6700.904 21.602 11.998 8.804 153.12 9551.013 34.639 0.461 13.495 57.17 28.381 6.019 11.022 104.68 6542.919 23.890 9.910 9.290 3636.737 3579.757 151.09 9429.225 K t log α2 Tính K Do d n 16 = =1.14 Bảng 4.1.11: Kết tính Kl* Kl theo chế độ chảy Lưu lượng dịng nóng (L/p) Lưu lượng dòng lạnh (L/p) 12 12 10 12 Re1 Kl1 Re2 Kl2 Kl * 17060 16362 54.159 64.085 11420.8 22405.4 76.976 89.419 16165 70.267 33290.3 33645 75.035 11578.8 54.041 83.88 108.42 62.021 32992 94.19 22709 99.793 32902 102.04 33736.9 130.45 42101 90.585 11578.8 61.867 41655 106.03 22841.7 41127 117.54 33866.7 2.1.7 Dựng đồ thị KL* KL theo Re Đồ thị KL1* KL theo Re 106.08 140.21 94.954 99.762 126.32 139.56 106.60 138.75 155.06 Đồ thị giá trị K1L KL* theo Re (dịng nóng) 180 160 140 120 100 80 60 40 20 Kl1 Kl* 17059.7 16361.9 16165.2 33644.6 32991.7 32901.9 42100.8 41654.9 41127.4 Re Đồ thị KL2* KL theo Re Đồ thị giá trị K1L KL* theo Re (dịng nóng) 180 160 140 120 100 80 60 40 20 Kl2 Kl* 11420.8 22405.4 33290.3 11578.8 22709 33736.9 11578.8 22841.7 33866.7 Re BÀN LUẬN Hùng Anh 1) Tổn thất nhiệt có đáng kể khơng? Tại sao? Từ kết thí nghiểm tính tốn số liệu ta thất đa số số liệu tổn thất nhiệt đáng kể lượng nhiệt dịng nóng nhiều so với dịng lạnh tăng lên Ngun nhân: - Lưu chất bị rị rỉ ống Nhiệt hao phí để làm nóng hệ thống Thất nhiệt mơi trường Sai số đọc số liệu 2) Mức độ sai số, nguyên nhân gây sai số lúc thí nghiệm? Biện pháp khắc phục? Mức độ sai số tương đối lớn, gồm: Sai số hệ thống: sai số thiết bị đo, sai số thao tác thí nghiệm, đọc số liệu Sai số ngẫu nhiên: yếu tố ngẫu nhiên tác động Nguyên nhân: - Đo hệ thống chưa ổn định Sai số làm trịn, tính tốn Chỉnh lưu lượng trì lưu lượng chưa tốt Tổn thất nhiệt trao đổi nhiệt môi trường vách ống Lưu chất sử dụng nước khơng hồn tồn thí nghiệm ta lại tính tốn loại bỏ lớp cáu từ dẫn đến sai số nhiều Sai số lưu lượng kế nhiệt kế, nhiệt dịng nóng khơng ổn định Biện pháp khắc phục: - Thao tác thí nghiệm xác Để hệ thống hoạt động ổn định tiến hành đo Khơng để nhiệt dịng nóng cao Lưu chất phải Cách nhiệt tốt cho hệ thống thí nghiệm để tránh nhiệt mơi trường ngồi Tiến hành làm thí nghiệm nhiều lần để có kết xác 3) So sánh hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm Kl hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết K* So sánh: nhìn chung đa số Ống A: Kl < K* Ống B: Kl < K* Nguyên nhân: Lượng nhiệt tổn thất sai số thí nghiệm Nhiệt trung bình bề mặt truyền nhiệt có sai số so với thực tế nên tính Prv có sai số Sự truyền nhiệt bị ảnh hưởng yếu tố: Lớp cặn bẩn, nhiệt từ bên ngồi truyền vào tính K* bỏ qua có mặt lớp cặn khơng thể xác định Ngọc Hân Tổn thất nhiệt nguyên nhân dẫn đến tổn thất Theo lý thuyết, trao đổi nhiệt dòng lạnh dòng nóng Q tỏa = Q thu Nhưng thí nghiệm ( ống A, B1, B2) không đạt kết lý thuyết Nguyên nhân: Tổn thất nhiệt truyền nhiệt qua ống ngồi mơi trường Tổn thất nhiệt truyền qua ống dẫn Sai số thao tác thí nghiệm Nhiệt độ mơi trường không ổn định Nguyên nhân sai số biện pháp khắc phục Nguyên nhân: Thao tác chưa chuẩn xác Đọc kết nhiệt độ chưa xác tuyệt đối Sự rị rỉ chất lỏng thí nghiệm Áp suất khơng cố định Trong lúc tính tốn tra giá trị thơng số vật lý: ,Cp,µ,… chưa xác Biện pháp khắc phuc: Hiểu rõ thao tác để tránh gây sai số Cố gắng giữ hệ thống ổn định Khi nhiệt độ ổn định tiến hành đọc số liệu Tra thơng số vật lý cần xác So sánh K1 K1* ống, ta thấy chênh lệch hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết hệ số truyền nhiệt hệ số truyền nhiệt dài thực tế, chênh lệch lớn Vậy trình tổn thất nhiệt lớn Quốc Khánh Nguyên nhân sai số Đọc kết nhiệt độ lúc hệ chưa ổn định Sai số tính tốn Tổn thất nhiệt trao đổi nhiệt môi trường Sai số lưu lượng kế nhiệt kế, nhiệt dịng nóng khơng ổn định Biện pháp khắc phục: Để hệ thống hoạt động ổn định tiến hành đo Cách nhiệt tốt cho hệ thống thí nghiệm để tránh nhiệt mơi trường Tiến hành làm thí nghiệm nhiều lần để có kết xác Cẩn trọng q trình thao tác thí nghiệm Thùy Linh Tổn thất nhiệt nguyên nhân dẫn đến tổn thất Theo lý thuyết, có trao đổi nhiệt dịng nóng lạnh Q tỏa = Qthu Nhưng thí nghiệm (ống A, B 1, B2) khơng giống lý thuyết, Qtỏa ≠ Qthu => Có lượng nhiệt bị tổn thất dẫn đến hiệu suất truyền nhiệt không đạt giá trị tối đa Nguyên nhân: Tổn thất nhiệt ống ngồi truyền nhiệt ngồi mơi trường Tổn thất nhiệt truyền qua ống dẫn Sai số lúc đọc số liệu, đầu dò nhiệt độ nhạy nên số liệu hiển thị hình khơng ổn định Nhiệt độ mơi trường không ổn định Nguyên nhân sai số biện pháp khắc phục Nguyên nhân: Thao tác chưa chuẩn xác Đọc kết nhiệt độ chưa xác Áp suất khơng ổn định Sai số tính tốn Biện pháp khắc phuc: Hiểu rõ thao tác để tránh gây sai số Cố gắng giữ hệ thống ổn định Khi nhiệt độ ổn định tiến hành đọc số liệu Tra thơng số vật lý cần xác hơn, tính khơng nên làm trịn số, làm trịn bước cuối (đại lượng yêu cầu tính) So sánh K1 K1* Ở ống có chênh lệch hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết hệ số truyền nhiệt hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm Sự chênh lệch lớn cho thấy tổn thất nhiệt trình lớn Vũ Lợi Dựa vào tính tốn tổn thất nhiệt không đáng kể, chênh lệch nhiệt độ nhỏ Mức độ sai số đáng kể Nguyên nhân gây sai số: - Dòng lạnh lấy nước trực tiếp từ nước thủy cục nên lưu lượng không ổn đinh, không đạt lưu lượng yêu cầu Sai số đọc nhiệt độ trình làm thí nghiệm Tổn thất nhiệt mơi trường Sai số dụng cụ đo Bỏ qua ảnh hưởng lớp cáu bẩn thành ống Biện pháp khắc phục: Tiến hành lặp lại thí nghiệm nhiều lần để tìm giá trị xác với sai số nhỏ So sánh hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết K*l với hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm cho thấy Kl cho thấy K*l lớn K1 Hoàng Long Mức độ sai số: Nguyên nhân: - Người thí nghiệm thao tác chưa quy trình thí nghiệm - Đọc kết nhiệt độ chưa xác tuyệt đối - Nhiệt độ sôi lưu chất chưa đạt mức tiêu chuẩn - Trong lúc tính tốn tra giá trị thơng số vật lý: , Cp, µ, … chưa xác tuyệt đối Biện pháp khắc phục: - Trong q trình tra thơng số vật lý cần xác - Cẩn trọng trình thao tác thí nghiệm Minh Thư Lượng nhiệt tổn thất: lượng nhiệt mà ta cung cấp cho dịng nóng qua dịng lạnh Q = Q1 – Q2 (W) Mức độ sai số: nằm khoảng chấp nhận Nguyên nhân: Thao tác chưa quy trình thí nghiệm Đọc kết nhiệt độ chưa xác tuyệt đối Nhiệt độ sôi lưu chất chưa đạt mức tiêu chuẩn Trong lúc tính tốn tra giá trị thơng số vật lý:,Cp,µ,… chưa xác tuyệt đối Biện pháp khắc phuc: Trong trình tra thơng số vật lý cần xác Cẩn trọng q trình thao tác thí nghiệm Hệ số truyền nhiệt đại lượng đắc trưng cho mức độ truyền nhiệt từ dịng nóng đến dịng lạnh qua đơn vị m2 bề bặt tường phẳng đơn vị thời gian hiệu số chênh lệch nhiệt độ dòng lưu chất độ Hệ số truyền nhiệt lớn lượng nhiệt mà lưu chất dịng lạnh nhận từ lưu chất dịng nóng tăng Hệ số thực nghiệm Kl nhỏ K* qua ống A ... W/m2K 6, 028 72,77 2,49 67 ,75 3 261 ,872 36, 76 71, 26 2,55 11,74 733,04 56 10 ,6 68,15 2 ,67 66 ,74 3213,054 32,79 66 ,64 2,72 39,14 2439,205 12 12 14, 16 64,09 2,82 3,32 77 ,68 65 ,83 3 167 , 363 29,45 62 ,55... 70.8 2.52 15.49 65 .61 2.74 30.31 64 .11 2.8 12 19.73 60 .52 2. 96 25.82 59.02 3.03 5.19 76. 96 2.31 38.41 75. 46 2. 36 9.34 72. 06 2.48 36. 46 70. 56 2.53 12 12.74 68 . 56 2 .61 33. 56 67. 06 2 .68 10 4.25 77.9... (oC) 65 .66 60 .78 57.7 70.53 65 .74 63 .34 71 .67 67 .08 64 .85 Prv1 Nu1 α1 2.74 2.95 3.11 2.53 2.73 2.84 2.49 2 .68 2.77 108.89 1 06. 85 105.53 167 .95 164 .92 163 .77 192.83 189.47 188 .69 52 56. 2 76 51 56. 276