báo cáo thực hành các quá trình và thiết bị truyền nhiệt

báo cáo thực hành các quá trình và thiết bị truyền nhiệt

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

TRUNG TÂM MÁY VÀ THIẾT BỊ



BÁO CÁO THỰC HÀNH CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT

Bài 1: Thực hành truyền nhiệt ống lồng ống

Tính toán hiệu suất toàn phần dựa trên 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 hai trường hợp: ngược chiều và xuôi chiều

Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị, từ đó so sánh với kết quả tính toán lý thuyết KLT

T1 (oC) Nồi đun

T2 (oC) Nóng ra

T3 (oC) Nóng vào

T4 (oC) Lạnh ra

T5 (oC) Lạnh vào

T1 (oC) Nồi đun

T2 (oC) Nóng ra

T3 (oC) Nóng vào

T4 (oC) Lạnh vào

T5 (oC) Lạnh ra

3.1 Tính toán hiệu suất nhiệt độ:

-Hiệu số nhiệt độ của các dòng và hiệu suất nhiệt độ trong các quá trình truyền nhiệt:

3.2 Xác định hiệu suất của quá trình truyền nhiệt:

-Đổi lưu lượng thể tích sang lưu lượng khối lượng:

3

10 .60



Với  nuoc phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức thực nghiệm:

3.3 Tính toán hệ số truyền nhiệt:

3.3.1 Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm:

-Trường hợp xuôi chiều:

Ta xét:   t1 tnong vao_  tlanh ra_

2 nong ra_ lanh vao_

m m

t

t t



-Tính diện tích truyền nhiệt:

Q K

F t

 



3.3.2 Hệ số truyền nhiệt lý thuyết:

Được tính theo công thức:

N

i

G d





v là độ nhớt của dòng nóng, có thể tra bảng hoặc tính theo công thức thực nghiệm sau:

(10 ) * (( 0.00000000064 * ( )) (0.000000182875* ( )) (0.000021590001* ( )) (0.001417871822 * ( )) (0.060504453881* ( )) 1.790265284068)

T lấy theo nhiệt độ trung bình đầu ra và đầu vào

-Chuẩn số Grashoff (dựa vào giá trị của Re rồi sau đó mới đi tính):

3 2

.

N L td

G d

T lấy theo nhiệt độ trung bình đầu ra và đầu vào

-Chuẩn số Grashoff (dựa vào giá trị của Re rồi sau đó mới đi tính):

3 2

.

-Hệ số hiệu chỉnh  k: phụ thuộc vào giá trị Reynolds và L

td

L

d (tra trong bảng 1.1 trang 33-sách QT & TB truyền nhiệt của TT máy và thiết bị-năm 2009)

Nếu dòng lạnh chảy dòng: Nu0,158 .Re k Pr Gr

4 Kết quả tính toán:

4.1 Trường hợp xuôi chiều:

Bảng kết quả tính toán hiệu suất nhiệt độ

N

T

(0C)

GL(kg/s)

QN(W)

QL(W)

Qf(W)

4.2 Trường hợp ngược chiều:

Bảng kết quả tính toán hiệu suất nhiệt độ

N

T

(0C)

GL(kg/s)

QN(W)

QL(W)

Qf(W)

5.1 Trường hợp xuôi chiều:

Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm

Quan hệ giữa Lưu lượng-hệ số truyền nhiệt

Hệ số truyền nhiệt lý thuyết

Quan hệ giữa Lưu lượng-hệ số truyền nhiệt

Đồ thị biểu diễn K TN và K LT

Trường hợp xuôi chiều

5.2 Trường hợp ngược chiều:

Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm

Quan hệ giữa Lưu lượng-hệ số truyền nhiệt (ngược chiều)

Hệ số truyền nhiệt lý thuyết

Quan hệ giữa Lưu lượng-hệ số truyền nhiệt (ngược chiều)

5.3 Quan hệ giữa chiều chuyển động và hệ số truyền nhiệt:

Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm

Quan hệ chiề u chuyể n động-hệ số truyền nhiệ t

Hệ số truyền nhiệt lý thuyết

Quan hệ chiề u chuyể n động-hệ số truyền nhiệ t

6 Bàn luận:

Vì đầu dò báo sai nên ta sẽ không nói đến các yếu tố phụ thuộc nhiệt độ có độ sai số lớn như  N ,  L và  hi mà đi xét đến các yếu tố quan trọng, những tính toán cuối cùng trong bài này

Ta sẽ đi đánh giá sự ảnh hưởng các yếu tố qua hệ số truyền nhiệt 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 một độ 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 (hiệu suất cao vì

L N

Q Q

6.1 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=2, 4, 6, 8 l/ph) thì hệ số truyền nhiệt sẽ tăng dần

-Nhận thấy nếu lưu lượng dòng lạnh bằng nhau (VL=const) và qua các mức tăng lưu lượng dòng nóng (VN=2, 4, 6, 8 l/ph) thì hệ số truyền nhiệt cũng sẽ tăng lên

6.2 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 khi xuôi chiều thì lớn hơn chút xíu so với trường hợp ngược chiều

-Đối với hệ số truyền nhiệt tính theo lý thuyết thì ta thấy KLT khi ngược chiều nhỉnh hơn so với khi xuôi chiều nhưng không đáng để (hai đường trên đồ thị gần như trùng nhau)

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 (rút từ thực nghiệm)

6.3 So sánh hệ số truyền nhiệt thực nghiệm với hệ số truyền nhiệt lý thuyết:

Trong cả hai trường hợp ngược chiều và xuôi chiều, ta đều thấy ở mức lưu lượng

VN= 2 l/ph KTN lớn hơn KLT còn ở mức VN=4, 6, 8 l/ph trở đi thì KLT lớn 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 tlog mà 2 yếu tố này lại phụ thuộc vào nhiệt độ do các đầu dò báo về

N TN

Q K

F t



Việc đầu dò báo sai chúng ta có thể hiệu chỉnh được Nhưng Qf mà âm thì theo em nghĩ 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 nguội 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=4, 6, 8 l/ph hệ số truyền nhiệt không có chênh lệch nhiều so với

VL=2 l/ph; trong khi đó đường hệ số truyền nhiệt lý thuyết có sự tăng vọt của VL=4, 6,

8 l/ph so với VL=2 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 1 và của dòng lạnh 2 Ta nhận thấy 1 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 2 của dòng lạnh thì tăng dần khi VLtăng 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 2 Hơn nữa ở mức VL= 2 l/ph, dòng lạnh chủ yếu là chảy quá độ Re  2300 10000  , nên có 2 thấp nhất khi áp dụng công tính chuẩn số Nusselt

Ta thấy rằng hệ số cấp nhiệt 2 của dòng lạnh lớn hơn hẳn 1 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 lạnh

Bảng kết quả tính hệ số cấp nhiệt

Thí nghiệm 1

 dòng nóng (W/m2.K)

2

 dòng lạnh (W/m2.K)

độ hay đo sai, vị trí đặt đầu dò không chính xác (sử dụng đầu dò “xịn” chưa đủ mà cái chính là ta phải đặt đúng vị trí trong dòng chảy) Để cải thiện những điều này thì khó thực hiện, cần phải có thêm thời gian và công sức

Bài 2: Thực hành truyền nhiệt ống xoắn

Ngày thực hành: 24-10-2010

Sinh Viên: Ngô Mạnh Linh

Tính toán hiệu suất toàn phần dựa trên 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 hai trường hợp: ngược chiều và xuôi chiều

Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị, từ đó so sánh với kết quả tính toán lý thuyết KLT

T1 (oC) Nồi đun

T2 (oC) Nóng ra

T3 (oC) Nóng vào

T4 (oC) Lạnh ra

T5 (oC) Lạnh vào

T1 (oC) Nồi đun

T2 (oC) Nóng ra

T3 (oC) Nóng vào

T4 (oC) Lạnh vào

T5 (oC) Lạnh ra

3.1 Tính toán hiệu suất nhiệt độ:

-Hiệu số nhiệt độ của các dòng và hiệu suất nhiệt độ trong các quá trình truyền nhiệt:

_ _

L lanh ra lanh vao

3.2 Xác định hiệu suất của quá trình truyền nhiệt:

-Đổi lưu lượng thể tích sang lưu lượng khối lượng:

3

10 .60



Với  nuoc phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức thực nghiệm:

3.3 Tính toán hệ số truyền nhiệt:

3.3.1 Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm:

-Trường hợp xuôi chiều:

-Trường hợp ngược chiều:

Ta xét:   t1 tnong vao_  tlanh ra_

2 nong ra_ lanh vao_

Cái nào lớn hơn thì là  tmax Cái nào bé hơn thì là  tmin

-Tính log ax min

ax min

m m

t

t t



-Tính diện tích truyền nhiệt:

Q K

F t

 



3.3.2 Hệ số truyền nhiệt lý thuyết:

Được tính theo công thức:

N

i

G d

dong nong

 có thể được tính bằng cách tra bảng hay tính theo pp nội suy (trong chức năng thống kê của máy tính Casio)

T lấy theo nhiệt độ trung bình đầu ra và đầu vào

-Chuẩn số Grashoff (dựa vào giá trị của Re rồi sau đó mới đi tính):

3 2

.

N L td

G d





T lấy theo nhiệt độ trung bình đầu ra và đầu vào

-Chuẩn số Grashoff (dựa vào giá trị của Re rồi sau đó mới đi tính):

3 2

.

-Hệ số hiệu chỉnh  k: phụ thuộc vào giá trị Reynolds và L

td

L

d Đối với ống xoắn

được tính theo công thức:

_

1 3,54. i k

d D

4 Kết quả tính toán:

4.1 Trường hợp xuôi chiều:

Bảng kết quả tính toán hiệu suất nhiệt độ

N

T

(0C)

GL(kg/s)

QN(W)

QL(W)

Qf(W)

4.2 Trường hợp ngược chiều:

Bảng kết quả tính toán hiệu suất nhiệt độ

N

T

(0C)

GL(kg/s)

QN(W)

QL(W)

Qf(W)

Thí

nghiệm

Q N (W)

5.1 Trường hợp xuôi chiều:

Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm

Quan hệ giữa Lưu lượng-Hệ số truyền nhiệt (Xuôi chiều)

Hệ số truyền nhiệt lý thuyết

Quan hệ giữa Lưu lượng-Hệ số truyền nhiệt (Xuôi chiều)

5.2 Trường hợp ngược chiều

Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm

Quan hệ giữa Lưu lượng-Hệ số truyền nhiệt (Ngược chiều)

Hệ số truyền nhiệt lý thuyết

Quan hệ giữa Lưu lượng-Hệ số truyền nhiệt (Ngược chiều)

Đồ thị biểu diễn K TN và K LT

Trường hợp ngược chiều

5.3 Quan hệ giữa chiều chuyển động và hệ số truyền nhiệt:

Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm

Quan hệ chiều chuyển động-Hệ số truyền nhiệt

Hệ số truyền nhiệt lý thuyết

Quan hệ chiều chuyển động-Hệ số truyền nhiệt

6 Bàn luận:

Vì đầu dò báo sai nên ta sẽ không nói đến các yếu tố phụ thuộc nhiệt độ có độ sai số lớn như  N,  L và  hi mà đi xét đến các yếu tố quan trọng, những tính toán cuối cùng trong bài này

Ta sẽ đi đánh giá sự ảnh hưởng các yếu tố qua hệ số truyền nhiệt K Hệ số truyền nhiệt K 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 một độ 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 (hiệu suất cao vì

L N

Q Q

6.1 Ảnh hưởng của lưu lượng dòng đến quá trình truyền nhiệt:

-Ở trường hợp xuôi chiều: Trong cùng một lưu lượng nóng bằng nhau (VN=const), khi tăng lưu lượng dòng lạnh (VL=2, 3, 4, 5 l/ph) thì hệ số truyền nhiệt K sẽ tăng dần nhưng không đáng kể.-Nhận thấy nếu lưu lượng dòng lạnh bằng nhau (VL=const) và qua các mức tăng lưu lượng dòng nóng (VN=2, 3, 4, 5 l/ph) thì hệ số truyền nhiệt K cũng sẽ tăng lên nhưng không đáng kể

Như vậy trong trường hợp xuôi chiều khi tăng lưu lượng dòng lạnh hoặc dòng nóng thì hệ số truyền nhiệt tăng chậm, nghĩa là hiệu suất của quá trình truyền nhiệt ít chịu ảnh hưởng của lưu lượng dòng

-Ở trường hợp ngược chiều: chỉ khác xuôi chiều là khi tăng lưu lượng dòng lạnh thì

hệ số truyền nhiệt K tăng lên nhanh chóng Như vậy trong trường hợp ngược chiều chịu ảnh hưởng của lưu lượng nhiều hơn trường hợp xuôi chiều

6.2 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 khi xuôi chiều thì lớn hơn so với trường hợp ngược chiều

-Đối với hệ số truyền nhiệt K tính theo lý thuyết thì ta thấy KLT khi xuôi chiều nhỉnh hơn so với khi ngược chiều nhưng không đáng để (hai đường trên đồ thị gần như trùng nhau)

Qua đó ta có thể kết luận, trong trường hợp truyền nhiệt ống xoắn thì chiều chuyển động theo trường hợp xuôi chiều sẽ có lợi hơn về hệ số truyền nhiệt

6.3 So sánh hệ số truyền nhiệt thực nghiệm với hệ số truyền nhiệt lý thuyết:

Trong cả hai trường hợp ngược chiều và xuôi chiều, ta đều thấy KTN lớn hơn KLT rất nhiều

-Sở dĩ có sự khác nhau như vậy là vì trong quá trình tính toán KTN chỉ có tính đến

QN và tlog mà 2 yếu tố này lại phụ thuộc vào nhiệt độ do các đầu dò báo về

log

.

N TN

Q K

F t



Việc đầu dò báo sai chúng ta có thể hiệu chỉnh được Nhưng Qf mà âm thì theo em nghĩ 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 nguội càng cao, thì lượng nhiệt tổn thất này cũng tăng lên nhanh chóng

-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  và của dòng

lạnh 2 Ta nhận thấy 1 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 2 của dòng lạnh thì chỉ tăng khi VLtăng , 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 2

-Ta thấy rằng hệ số cấp nhiệt 1 của dòng nóng lớn hơn rất nhiều 2 dòng lạnh Có nghĩa là dòng lạnh nhận được lượng nhiệt từ nguồn nóng trong một đơn vị thời gian là rất lớn và khả năng nhận nhiệt của dòng lạnh là chưa tương xứng với dòng nóng Điều này được giải thích là do dòng nóng chảy trong ống chùm có đường kính nhỏ, chế độ chảy xoáy (Re>10000) có sự đối lưu giữa các lớp nước làm cho quá trình cấp nhiệt nhanh hơn Còn dòng lạnh chảy trong ống có đường kính lớn hơn rất nhiều, chế độ chảy quá độ (2300<Re<10000) sự nhận nhiệt sẽ kém hơn

Bảng kết quả tính hệ số cấp nhiệt

Thí nghiệm 1

 dòng nóng (W/m2.K)

2

 dòng lạnh (W/m2.K)

-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 (sử dụng đầu dò “xịn” chưa đủ mà cái chính là ta phải đặt đúng vị trí trong dòng chảy) Để cải thiện những điều này thì khó thực hiện, cần phải có thêm thời gian và công sức

Bài 3: Cô đặc gián đoạn dung dịch CuSO4

-Giúp sinh viên hiểu rõ hơn về quá trình và thiết bị cô đặc

-Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng để xác định các thông số cần thiết

-Giúp sinh viên vận hành chính xác thiết bị, đo đạc các thông số của quá trình và thiết bị

-Xác định năng suất và hiệu suất của quá trình

-Đánh giá quá trình hoạt động gián đoạn và liên tục

T1(oC)

T2(oC)

T5(oC)

Vdm(lít) Nồng độ

Đặc điểm 21.95 2000 100.1 28.5 35.8 0 0.0752 Gia nhiệt 31.95 1500 100.1 28.5 36.4 0 0.0752 Hoàn lưu

3.2 Cân bằng năng lượng:

-Nhiệt lượng mà nồi đun cung cấp trong suốt quá trình thí nghiệm:

1-Sổ tay các quá trình và thiết bị)

-Nhiệt lượng nước lạnh giải nhiệt nhận được (Quá trình hoàn lưu và Quá trình kết

-Nếu bỏ qua năng lượng tổn thất Q  f 0, thì ta sẽ tính được phần nhiệt lượng còn lại

Q 4 gia nhiệt cho dung dịch để dung môi bốc hơi trong hai quá trình hoàn lưu và quá

trình kết thúc

Q  Q  Q  Q (J)

-Tính năng lượng Q boc hoi rieng_ _ nồi đun cần cung cấp để bốc hơi 1 kg dung môi

(hơi thứ): Trong bài thí nghiệm năng lượng Q1'cung cấp để thu được 2,243 kg dung

môi bằng (bỏ qua giai đoạn hoàn lưu)

1 W 1 1 W 2 2 2000.(21, 95.60) 1600.(65.60) 8 874 000, 0

' 1 _ _

-Công suất gia nhiệt cần thiết để làm bay hơi 2,243 kg dung môi (hơi thứ)

' 1 1

8 874 000, 0

1 701,0(21,95 65).60

Q N t