Bài TRUYỀN NHIỆT đối lưu

Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách Khoa Khoa Kỹ Thuật Hóa học Bộ Mơn Quá Trình Thiết Bị Bài: TRUYỀN NHIỆT ĐỐI LƯU CBHD: Thầy Nguyễn Sỹ Xuân Ân Sinh viên: Nguyễn Hữu Thọ MSSV: 1713340 Nhóm, lớp: 10.7 – A10 – HC17VS Ngày TN: 03/09/2019 Năm học: 2019-2020 Mụ c lụ c I TRÍCH YẾU: 1.1 Mục đích thí nghiệm: 1.2 Phương pháp thí nghiệm: 1.3 Kết thí nghiệm: 3 II LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM: 2.1 Phương trình cân nhiệt: 2.2 Hệ số truyền nhiệt tổng quát: 2.3 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (hệ số cấp nhiệt) phía dịng lạnh chảy ống ( N hay ): tr 2.4 Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ: III DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: 3.1 Dụng cụ thiết bị thí nghiệm: 3.2 Phương pháp thí nghiệm: 10 IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM: 11 4.1 Xử lí sơ kết thí nghiệm: 11 4.2 Xác định thơng số phục vụ tính tốn: 12 4.3 Tính tốn nhiệt lượng, xác định tổn thất nhiệt: 13 4.4 Tính tốn xác định hệ số cấp nhiệt phía nước chảy ống, phía nước ngưng tụ hệ số truyền nhiệt tổng quát: 13 4.5 Đồ thị: 14 V BÀN LUẬN: 17 VI PHỤ LỤC: 20 6.1 Xử lí sơ kết đo: 21 6.2 Xác định thơng số phục vụ tính toán: 21 6.3 Tính tốn nhiệt lượng: 21 VII TÀI LIỆU THAM KHẢO: 22 I TRÍCH YẾU: 1.1 Mục đích thí nghiệm: - Giúp sinh viên củng cố kiến thức truyền nhiệt đối lưu - Giúp sinh viên làm quen với cấu tạo, nguyên lý hoạt động thiết bị phương pháp thí nghiệm trao đổi nhiệt đối lưu - Khảo sát thực nghiệm hệ số cấp nhiệt dịng lưu chất khơng có biến đổi pha dịng lưu chất có biến đổi pha với chế độ ngưng tụ chảy màng hai trường hợp: đối lưu tự nhiên đối lưu cưỡng - So sánh hệ số cấp nhiệt hệ số truyền nhiệt lý thuyết với hệ số cấp nhiệt truyền nhiệt thực nghiệm - Thiết lập cân nhiệt lượng trình trao đổi nhiệt đối lưu 1.2 Phương pháp thí nghiệm: - Thực theo bước sau - Chuẩn bị: dụng cụ điều kiện thí nghiệm, chuẩn bị cấp nước lạnh, chuẩn bị cấp nước - Tiến hành thí nghiệm trình truyền nhiệt ổn định tiến hành đo đồng loạt đại lượng yêu cầu - Ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác - Kết thúc thí nghiệm 1.3 Kết thí nghiệm: Bảng 1: Vị trí chảy tràn STT Các đại lượng đo 1 32 31 31 31 31 93 102 92 101 97 62 58 45 53 41 86 94 81 94 86 209 210 209 210 210 Nhiệt độ theo        Nhiệt độ theo 240 240 242 242 240 Áp suất theo 11 11 11 11 10,9 Áp suất theo 12,5 12,4 12,9 12,8 12,7 Lượng nước ngưng 28 31 15 29 31 10 Thời gian đo lượng nước ngưng 120 60 120 120 120 11 Nhiệt độ nước ngưng 43 65 53 65 61 12 Lượng nước chảy ống 340 760 890 1040 660 13 Thời gian đo lượng nước chảy ống 60 60 60 60 30 II LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM: - Sự truyền nhiệt nước bão hòa ngưng tụ bề mặt ngồi ống đứng với dịng nước lạnh chảy ống dạng truyền nhiệt đặc trưng trình: trao đổi nhiệt đối lưu trường hợp có biến đổi pha (hơi nước bão hòa ngưng tụ bề mặt ống đứng) trao đổi nhiệt đối lưu dòng lưu chất khơng có biến đổi pha (dịng nước lạnh chảy ống) Bỏ qua nhiệt trở thành ống - Sự ngưng tụ nước thiết bị thí nghiệm xem ngưng tụ với màng chảy xếp lớp (chảy màng) - Dòng nước lạnh chảy ống đứng (gọi tắt dòng lạnh) thực với chế độ chảy: chuyển động tự nhiên chuyển động cưỡng - Sơ đồ chế truyền nhiệt đối lưu biểu diễn hình V, C: bề dày thành ống bề dày màng nước ngưng tụ, m dtr, dng: đường kính ngồi ống, m Ftr, Fng: diện tích bề mặt bên bên ngồi ống đứng có chiều cao H, m2 ts: nhiệt độ nước bão hịa, oC tN: nhiệt độ trung bình nước ống, oC tVtr, tVng: nhiệt độ trung bình vách vách ngồi ống, oC C = ng: hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ (phía lưu chất bên ngồi), W/m2.K Hình Sơ đồ chế truyền nhiệt đối lưu  N = tr: hệ số cấp nhiệt phía nước lạnh (phía lưu chất ống), W/m2  q: mật độ dòng nhiệt truyền qua vách, W/m2 2.1 Phương trình cân nhiệt: - Nhiệt lượng dòng nước lạnh nhận được: Q1 = GNCPN(t3 – t1), W - Nhiệt lượng tỏa nước ngưng tụ: (1) Q2 = GC[r + CPC(tS - t C )], W (2) - Trong trường hợp truyền nhiệt ổn định khơng có tổn thất nhiệt, ta có phương trình cân nhiệt sau: Q = Q1 = Q2 = GNCPN(t3 – t1) = GC[r + CPC(tS - t C )], W (3)    - Trong đó: GN, GC : lưu lượng khối dòng nước ống dòng nước ngưng tụ, kg/s t1, t3 : nhiệt độ đầu cuối dòng nước chảy ống, oC tS: nhiệt độ nước bão hịa ngưng tụ áp suất thí nghiệm, oC  t C : nhiệt độ trung bình nước ngưng tụ, oC    t S  t' C , oC (4) t’C: nhiệt độ nước ngưng tụ chảy (trong thực tế t’C nhiệt độ lạnh nước ngưng tụ), oC CPN: nhiệt dung riêng nước chảy ống, xác định nhiệt độ trung bình nước, J/kg.K t t tN  , oC (5)  CPC: nhiệt dung riêng nước sau ngưng tụ nhiệt độ t C , J/kg.K  r: ẩn nhiệt ngưng tụ nước bão hòa nhiệt độ tS, J/kg - Sự cân nhiệt thực phương trình truyền nhiệt đối lưu chế độ ổn định khơng có tổn thất nhiệt: Q = Q’1 = Q’2 - Trong đó: tC  Q’1 = qtrFtr = tr(tVtr - t N )Ftr, W   tr  Q'1 (t Vtr  t N )Ftr , W/m2.K Q’2 = qngFng = ng(tS - tVng)Fng, W Q'   ng  , W/m2.K (t S  t Vng )Fng (6) (7) - Theo lý thuyết: Q’1 = Q’2 = Q1 = Q2 = Q - Từ cơng thức (6) (7) xác định hệ số cấp nhiệt thực nghiệm phía dòng lạnh ống (tr) hệ số cấp nhiệt phía nước bão hịa ngưng tụ bề mặt ống (ng) - Trong trường hợp nhiệt trở vách truyền nhiệt khơng đáng kể (ống đồng có hệ số dẫn nhiệt lớn: V = 1272 W/mK thành ống mỏng), ta có: t  t4 o t Vtr  t Vng  , C (8) t Vtr , t Vng : nhiệt độ trung bình vách vách ống truyền nhiệt, oC  t2, t4 : nhiệt độ thành đầu vào (đầu dưới) đầu (đầu trên) ống, oC 2.2 Hệ số truyền nhiệt tổng quát: K Q Ftr t log , W/m2K (9) Q : nhiệt lượng tính theo cơng thức (1) t log  (t S  t )  (t S  t ) (t  t ) ,K ln S (t S  t ) (10) 2.3 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (hệ số cấp nhiệt) phía dịng lạnh chảy ống (N hay tr): - Hệ số cấp nhiệt N (hay tr) xác định tùy thuộc vào dạng trao đổi nhiệt (đối lưu tự nhiên hay đối lưu cưỡng bức) chế độ chảy dòng lưu chất: chảy xếp lớp (chảy màng), chảy rối hay chế độ chuyển tiếp.Dòng lưu chất đối lưu tự nhiên hay cưỡng phân biệt dựa theo Gr giá trị tỷ số : Re ,5 - Ở đây: Re  wd tr 4G N   d tr  (11) - Với : w : vận tốc dòng, m/s  : độ nhớt động học lưu chất, m2/s  : khối lượng riêng lưu chất, kg/m3 2.3.1 Trường hợp đối lưu tự nhiên: - Hệ số cấp nhiệt N (hay tr) trường hợp đối lưu tự nhiên xác định từ chuẩn số Nusselt (Nu): Gr Pr d tr Nu  32 H , 75    H        1  exp  16   d tr Gr Pr       (12) - Trong đó:  N d tr  d  tr tr    gd tr t Gr  2 Nu  _ t  t Vtr  t N Pr   (tra bảng)  _ - Các thơng số vật lý nước xác định nhiệt độ trung bình: t N  t1  t , C 2.3.2 Trường hợp đối lưu cưỡng bức: - Ở chế độ chảy màng (Re < 2300) với Re Pr d 3    Nu  1,86 Re Pr tr   H   Vtr  d tr  10 H  0,14  (13) _ Các thông số vật lý xác định nhiệt độ trung bình t N  t1  t , C Riêng Vtr xác định nhiệt độ trung bình vách tVtr - Ở chế độ chuyển tiếp (2300< Re (αng)tn , vị trí cịn lại (αng)tt < (αng)tn Hệ số truyền nhiệt tổng quát: có vị trí chảy tràn Ktt > Ktn , vị trí cịn lại Ktt < Ktn - Giải thích: Theo lý thuyết, giá trị tính tốn hệ số cấp nhiệt phía nước ống, phía nước ngưng tụ ống hệ số truyền nhiệt tổng quát phải lớn giá trị thực nghiệm tương ứng lý thuyết bỏ qua mát nhiệt trình trao đổi nhiệt Tuy nhiên q trình làm thí nghiệm ln tồn tổn thất nhiệt mức độ khác nhau, tùy vào hệ thống thiết bị thao tác người thí nghiệm Dựa vào giá trị tính tốn ta thấy giá trị tính tốn hệ số cấp nhiệt phía nước ống, phía nước ngưng tụ ống hệ số truyền nhiệt tổng quát tăng giảm không theo quy luật Nguyên nhân dẫn đến khơng xác giá trị sai số suốt q trình tiến hành thí nghiệm Tùy vào mức độ sai số hay nhiều mà thu kết hợp lý hay không Câu 5: Nhận xét ảnh hưởng nhiệt trở lên thành ống Theo kết tính tốn Ktt K'tt , ta thấy hai giá trị gần K'tt/Ktt có giá trị xấp xỉ gần Vì vậy, nhiệt trở thành ống ảnh hưởng khơng đáng kể đến q trình truyền nhiệt bỏ qua q trình tính tốn 19 Câu 6: Nhận xét độ tin cậy kết thí nghiệm, ước lượng sai số nêu nguyên nhân sai số: - Nhận xét độ tin cậy thí nghiệm: Qua thơng số đo tính tốn thí nghiệm, ta thấy độ tin cậy thí nghiệm khơng cao sai số ảnh hưởng nhiều đến kết thí nghiệm - Ước lượng sai số:  Sai số tính tốn Nu: Đồ thị NuN = f(Re) xk (Re) 891 1907 1984 2503 2821 yk (NuN) 67.05 11.46 12.13 19.35 22.27 Vậy ta có phương trình là: y = -0.029x + 87.17 xk (Re) 891 1907 1984 2503 2821 yk (NuN) 67.05 11.46 12.13 19.35 22.27 y*k = 61.33 31.87 29.63 14.58 5.36 ∆y = yk –y*k = 5.72 -20.41 -17.5 4.77 16.91 8.53% -178.10% -144.27% 24.65% 75.93% %  Sai số tính tốn hệ số truyền nhiệt: Đồ thị Ktt = f(Re) xk (Re) 891 1907 1984 2503 2821 yk (Ktt) 2207.04 515.78 513.29 838.31 899.12 Vậy ta có phương trình là: y = -0.86x + 2739.90 xk (Re) 891 yk (Ktt) 2207.04 1973.64 y*k = 1907 1984 2503 2821 515.78 513.29 838.31 899.12 1099.88 1033.66 587.32 313.84 20 ∆y = yk - y*k = % 233.40 -584.10 -520.31 250.32 585.28 10.58% -113.25% -101.39% 29.86% 65.09% - Những nguyên nhân sai số:       Tiến hành đo thông số điều kiện truyền nhiệt ổn định ổn định hệ thống mang tính chất tương đối Lưu lượng dịng nước ngưng tụ khơng dẫn đến sai số tính hệ số cấp nhiệt hệ số truyền nhiệt Các giá trị hệ số cấp nhiệt tính với điều kiện chế độ chảy màng thực tế không đáp ứng xác hồn tồn điều kiện nên dẫn đến sai số Hệ thống thiết bị khơng cách nhiệt tốt vói mơi trường bên ngồi Giá trị đồng hồ số khơng ổn định, thường dao động, kết đọc khơng có độ xác cao Một số thao tác sai q trình làm thí nghiệm VI PHỤ LỤC: 6.1 Xử lí sơ kết đo: - Đổi nhiệt độ: - Lưu lượng (kg/s):    V (ml): thể tích nước đo (kg/m3): khối lượng riêng nước t (s): thời gian 6.2 Xác định thơng số phục vụ tính tốn: Các thơng số vật lý tham gia q trình tính tốn gồm có: - Các thơng số vật lý nước chảy ống: CPN, , , , , Pr, , Vtr 21  Các thông số đươc xác định nhiệt độ trung bình nước chảy ống (bảng 3) Riêng Vtr xác định nhiệt độ Tra bảng 43, trang 42, [1] - Các thông số nước ngưng tụ áp suất thí nghiệm: CPC, C, C, C, C, CPS, S, S, PrS, Prvtr  Các thơng số có số “c” xác định nhiệt độ trung bình   Các thơng số có số “s” xác định nhiệt độ tS Các thơng số có số “vng” xác định nhiệt độ tVng (bảng 3) Tra bảng 43, trang 42, [1] - Các thông số vật lý nước bão hịa áp suất thí nghiệm:  RS xác định nhiệt độ tS nước bão hòa Tra bảng 40, trang 38, [1] 6.2 Tính tốn nhiệt lượng: - Nhiệt lượng Q1 tính theo cơng thức (1) - Nhiệt lượng Q2 tính theo cơng thức (2) - Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN tính theo cơng thức (9), Q = Q1 - Tính hệ số truyền nhiệt có kể đến ảnh hưởng nhiệt trở thành ống , W/m2.K : (20) - Tính tốn so sánh KTT với K’TT: VII TÀI LIỆU THAM KHẢO: - [1] Các tác giả, “Bảng tra cứu Quá trình học Truyền nhiệt - Truyền khối”, NXB ĐHQG – TPHCM ,2015, 100tr 22 - [2] Phạm Văn Bơn, Nguyễn Đình Thọ, “Q trình Thiết bị truyền nhiệt”, ĐHBK Tp.HCM, 1992 - [3] Hồng Đình Tín, “Truyền nhiệt tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt”, ĐHBK Tp.HCM, 1996 23 ... đổi nhiệt đối lưu - Khảo sát thực nghiệm hệ số cấp nhiệt dòng lưu chất khơng có biến đổi pha dịng lưu chất có biến đổi pha với chế độ ngưng tụ chảy màng hai trường hợp: đối lưu tự nhiên đối lưu. .. lưu cưỡng - So sánh hệ số cấp nhiệt hệ số truyền nhiệt lý thuyết với hệ số cấp nhiệt truyền nhiệt thực nghiệm - Thiết lập cân nhiệt lượng trình trao đổi nhiệt đối lưu 1.2 Phương pháp thí nghiệm:... Hình Sơ đồ chế truyền nhiệt đối lưu  N = tr: hệ số cấp nhiệt phía nước lạnh (phía lưu chất ống), W/m2  q: mật độ dòng nhiệt truyền qua vách, W/m2 2.1 Phương trình cân nhiệt: - Nhiệt lượng dịng