Mục lục 1 TRÍCH YEÁU 2 1 1 Muïc ñích thí nghieäm 2 1 2 Phöông phaùp thí nghieäm 2 1 3 Keát quaû thí nghieäm 2 1 4 Nhaän xeùt keát quaû thí nghieäm 3 2 LYÙ THUYEÁT THÍ NGHIEÄM 3 2 1 Phöông trình caân b[.]
Mục lục TRÍCH YẾU 1.1 Mục đích thí nghiệm 1.2 Phương pháp thí nghiệm 1.3 Kết thí nghiệm 1.4 Nhận xét kết thí nghiệm: .3 LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM 2.1 Phương trình cân nhiệt 2.2 Hệ số truyền nhiệt tổng quaùt 2.3 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ( hệ số cấp nhiệt) phía dòng nước lạnh chảy ống (N hay T) 2.4 Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 3.1 Dụng cụ thiết bị thí nghiệm 3.2 Phương pháp thí nghiệm 11 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 13 4.1 Xử lý sơ kết ño 13 4.2 Xác định thông số phục vụ tính toán .14 4.3 Tính toán nhiệt lượng, xác định tổn thất nhiệt 14 4.4 Tính toán xác định hệ số cấp nhiệt phía nước chảy ống phía nước ngưng tụ 14 4.5 Đồ thị 16 BÀN LUẬN 18 PHUÏ LUÏC 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 TRÍCH YẾU 1.1.Mục đích thí nghiệm 1) Giúp sinh viên củng cố kiến thức truyền nhiệt đối lưu 2) Giúp sinh viên làm quen với cấu tạo, nguyên lý hoạt động thiết bị phương pháp thí nghiệm trao đổi nhiệt đối lưu 3) Khảo sát thực nghiệm hệ số cấp nhiệt dòng lưu chất biến đổi pha dòng lưu chất có biến đổi pha với chế độ ngưng tụ chảy màng hai trường hợp: đối lưu tự nhiên đối lưu cưỡng 4) So sánh hệ số cấp nhiệt hệ số truyền nhiệt lý thuyết với hệ số cấp nhiệt truyền nhiệt thực nghiệm 5) Thiết lập cân nhiệt lượng trình trao đổi nhiệt đối lưu 1.2.Phương pháp thí nghiệm Thực thí nghiệm theo trình tự sau: - Chuẩn bị dụng cụ điều kiện thí nghiệm - Chuẩn bị cấp nước lạnh - Chuẩn bị cấp nước - Khi trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định tiến hành đo đồng loạt đại lượng - Ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác (tiến hành thí nghiệm ứng với vị trí chảy tràn) - Kết thúc thí nghiệm 1.3 Kết thí nghiệm Bảng 1: Các đại lượng đo Vị trí chaỷy traứn (inch) ẵ ắ 1ẵ t1 (oC) 42 41 41 41 41 t2 (oC) 104 106 110 111 102 t3 (oC) 82 73 63 64 54 t4 (oC) 98 102 106 107 99 Nhiệt độ theo T2 (oF) 240 238 234 232 238 Aùp suaát theo P2 (PSI) 14.5 12.5 11.5 Nhiệt độ theo T3 ( F) 208 210 210 210 210 Aùp suaát theo P3 (PSI) 14 11.5 11 6 o Lượng nước ngưng (ml) Thời gian đo lượng nước ngưng (s) Nhiệt độ nước ngưng t’C (oC) Lượng nước chảy ống (ml) Thời gian đo nước chảy ống (s) 88 90 54 60 65 384 243 109 110 138 47 61 59 65 62 805 810 820 800 805 177 86 61 52 43 1.4 Nhận xét kết thí nghiệm: Khi thay đổi vị trí chảy tràn lan lửụùt: 0, ẵ, ắ, ẵ thỡ caực nhieọt độ t2, , t4 tăng dần chảy tràn 1½ (inch) nhiệt độ lại giảm.Đối với nhiệt đđộ t3 nhiệt đđộ giảm dần Ngoại trừ trường hợp chảy tràn vị trí “0”, trường hợp chảy tràn vị trí “¾” có lượng nước ngưng thấp lượng nước chảy ống cao so với trường hợp lại Các nhiệt độ T2, T3 không thay đổi nhiều áp suất P2, P3 thay đổi nhiều chế độ thí nghiệm LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM Sự truyền nhiệt nước bão hòa ngưng tụ bề mặt ống đứng với dòng 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 Sự ngưng tụ nước thiết bị thí nghiệm xem ngưng tụ 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 ống, m Ftr, Fng : diện tích bề mặt bên bên ống đứng có chiều cao H, m2 ts : nhiệt độ nước bão hòa, oC tN: nhiệt độ trung bình nước ống, oC tVtr, tVng:nhiệt độ trung bình vách vách ống, o C C = ng:hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ (phía lưu chất bên ngoài), W/m2.K N = tr:hệ số cấp nhiệt phía nước lạnh (phía lưu chất ống), W/m2.K 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 (1) Nhiệt lượng tỏa nước ngưng tụ: t Q2 = GC[r + CPC(tS - C )], W (2) Trong trường hợp truyền nhiệt ổn định tổn thất nhiệt, ta có phương trình cân nhiệt sau: t Q = Q1 = Q2 = GNCPN(t3 – t1) = GC[r + CPC(tS - C )] (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 hòa ngưng tụ áp suất thí nghiệm, oC tC : nhiệt độ trung bình nước ngưng tụ, oC t C= t S +t ' C , oC (4) t’C:nhieät 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) tN= t +t , 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 tổn thất nhiệt: Q = Q’1 = Q’2 Trong đó: t Q’1 = qtrFtr = tr(tVtr - N )Ftr, W ⇒ α tr = Q '1 ( t Vtr −t N ) F tr , (W/m2.K) (6) Q’2 = qngFng = ng(tS - tVng)Fng, W ⇒ α ng = Q '2 ( t S −t Vng ) Fng , W/(m2.K) (7) Theo lý thuyết: Q’1 = Q’2 = Q1 = Q2 = Q Từ công thức (6) (7) xác định hệ số cấp nhiệt thực nghiệm phía dòng lạnh ống (tr) hệ số cấp nhiệt phía nước bão hòa ngưng tụ bề mặt ống (ng) Trong trường hợp nhiệt trở vách truyền nhiệt không đáng kể (ống đồng có hệ số dẫn nhiệt lớn: V = 1272 W/(m.K) thành ống mỏng), ta có: t2 + t t Vtr ≈ t Vng = , oC (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 F tr Δt log , W/(m2.K) (9) Q : nhiệt lượng tính theo công thức (1) ( t S −t )−( t S −t ) Δt log = ( t S −t ) ln ( t S −t ) ,K (10) 2.3 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ( hệ số cấp nhiệt) phía dòng nước lạnh chảy ống (N hay T) 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 Gr 2,5 biệt dựa theo giá trị tỷ số Re : Dòng lưu chất chuyển động cưỡng Vùng độ Dịng lưu chất chuyển động tư nhiện Ở đây: (11) Với: : vận tốc dòng, m/s : độ nhớt động học lưu chất, m2/s : khối lượng riêng lưu chất, kg/m3 a) Trường hợp đối lưu nhiệt tự nhiên Hệ số cấp nhiệt N (hay tr) trường hợp đối lưu tự nhiên xác định từ chuẩn số Nusselt (Nu): (12) Trong đó: Nu= Gr= α N d tr = α N d tr λ λ β gd tr Δt ν2 Δt =t Vtr −t N ν Pr = a Các thông số vật lý nước xác định nhiệt độ t +t tN= , oC trung bình: b) Trường hợp đối lưu nhiệt cưỡng d tr Ở chế độ chảy màng (Re < 2300) với Re.Pr H >10 : (13) Các thông số vật lý xác định nhiệt độ trung bình t +t tN= , oC Riêng Vtr xác định nhiệt độ trung bình vách tVtr Ở chế độ chuyển tiếp (2300 < Re < 10000) với 0,7 < Pr < 120 d tr vaø H < 50 : Nu = 0,023Re0,8Pr1/3 (14) Nếu bỏ qua ảnh hưởng lực nâng với dòng chảy ta áp dụng công thức Mikhaev để tính Nu*: M= Pr 0, 43 Nu¿ Pr Pr Vtr ( ) 0, 14 =f ( Re) (15) Giá trị thực nghiệm M cho bảng Bảng 2: Re.10-3 2, M 2, 2, 3, 2, 4, 7, 3, 10 10 12, 16, 20 24 27 30 33 2.4 Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ Hệ số cấp nhiệt trường hợp ngưng tụ tinh khiết bão hòa xác định tùy thuộc vào chế độ chảy dòng lỏng ngưng tụ Các trường hợp chất ngưng tụ chảy màng, hệ số cấp nhiệt ngưng tụ tinh khiết bề mặt ống đứng xác định theo công thức lý thuyết Nusselt (xác lập phương pháp giải tích): α C =0 , 943 ( gr S ρ 2C λ 3C μC HΔt ) ,25 m ( Δt =t S −t Vng= t S − t +t (16) ) ,K Ở đây: Các thông số vật lý xác định nhiệt độ trung bình t m= t S +t Vng , oC Riêng rS xác định nhiệt độ tS nước bão hòa Công thức (16) biến đổi phương trình tiêu chuẩn đồng daïng sau: αC H [ rS gH ν C Nu C = =0 ,943 λC λC C PC (t S −tVng ) νC ρC C PC 0, 25 ] , 25 m ,25 = , 943(GaC Pr C K )m =0 ,943 (K o )m (17) Ở đây: chuẩn số đồng dạng Kutalelagze Trường hợp nước ngưng tụ chảy màng không phụ thuộc vào vận tốc (tức không phụ thuộc vào Re), hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ chảy màng xác định từ chuẩn số Nu theo công thức thực nghiệm sau đây: ¿ NuC =0 , 42(Ga Pr K )0S , 28 ( ) μS μVng , 25 =0 , 42( K o )0S , 28 ( ) μS μVng , 25 (18) Khác với công thức (16) thông số vật lý xác định nhiệt độ tS Riêng PrVng xác định nhiệt độ trung bình vách t +t t Vng= , oC DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 3.1 Dụng cụ thiết bị thí nghiệm Hệ thống thí nghiệm đối lưu nhiệt gồm có: - Ống truyền nhiệt - Bình chứa nước - Nồi - Bình chảy tràn - Hệ thống van ống nối - Hệ thống dụng cụ đo nhiệt độ, áp suất - Hệ thống cấp nước - Nút điều khiển điện trỏ, núm điều chỉnh nhiệt độ phận điều chỉnh vị trí chảy tràn Ống truyền nhiệt đặt đứng có kích thước sau: - Chiều cao : H = 60,96 cm - Đường kính : dng = 15,8 mm - Đường kính : dtr = 13,8 mm - Bề dày thành ống : 1mm - Hệ số dẫn nhiệt ống đồng :λv = 1272 W/(m.K) 10 - Lượng nước ngưng tụ khoảng thời gian định nhiệt độ nước ngưng tụ - Lượng nước chảy ống ống ống khoảng thời gian định - Nhiệt độ t1, t2, t3, t4 (đồng hồ số) - p suất nồi (áp kế P2) - Nhiệt độ nồi (đồng hồ đo nhiệt độ T2) - Nhiệt độ theo T3 (oF) - Áp suất theo P3 (PSI) Trong đo thường xuyên quan sát mức nước bình chảy tràn mức nước nồi c) Ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác 1) Sau đo xong, ngắt điện cấp cho nồi hơi, đóng van V6, V7, mở van xả S5 Nạp nước vào bình chứa Mở van V8 cấp nước cho nồi khóa van V8 lại, khóa van xả S5 2) Khóa van V1, mở vòi xả S4 để xả nóng khóa vòi S4 lại 3) Chuyển vị trí chảy tràn theo yêu cầu thí nghiệm lặp lại quy trình thao tác thí nghiệm trước 4) Các thí nghiệm tiến hành với vị trí ống chảy tràn sau: - Vị trí “0”: đối lưu tự nhiên - Vũ trớ ẵ, ắ,1, ẵ: ủoỏi lửu cửụừng d) Kết thúc thí nghiệm Trình tự thao tác kết thúc thí nghiệm: 1) Ngắt cầu dao điện cho nồi 2) Ngắt điện cho đồng hồ đo nhiệt độ số 3) Khóa van nguồn nước 4) Khóa mở van trạng trước làm thí nghiệm 12 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 4.1 Xử lý sơ kết đo STT Các đại lượng đo t1 (oC) t2 (oC) t3 (oC) t4 (oC) Nhiệt độ nước ngưng t’C (oC) PS (bar) tS (oC) tN t1 t3 tVng t2 t4 10 tVtr tVng 11 tm 12 tC 13 14 15 tS tVng tS t'C t tVtr t N GN.103 (kg/s) (Lưu lượng nước ống) GC.103 (kg/s) (Lưu lượng nước ngưng tụ) Vị trí chảy tràn (inch) ½ ¾ 1½ 42.00 104.0 00 82.00 98.00 47.00 1.013 100.0 00 41.00 106.0 00 73.00 102.0 00 61.00 1.013 100.0 00 41.00 110.0 00 63.00 106.0 00 59.00 1.013 100.0 00 41.00 111.0 00 64.00 107.0 00 65.00 1.013 100.0 00 41.00 102.0 00 54.00 99.00 62.00 1.013 100.0 00 62.00 57.00 52.00 52.50 47.50 101.0 00 104.0 00 108.0 00 109.0 00 100.5 00 101.0 00 104.0 00 108.0 00 109.0 00 100.5 00 100.5 00 102.0 00 104.0 00 104.5 00 100.2 50 73.50 80.50 79.50 82.50 81.00 39.00 47.00 56.00 56.50 53.00 4.467 9.274 13.26 15.18 18.55 0.220 0.354 0.473 0.521 0.451 13 4.2 Xác định thông số phục vụ tính toán Vị trí chảy tràn (inch) Các thông soỏ vaọt lyự ẵ ắ 1ẵ CPN (kJ/kg.K) 4.181 4.178 4.175 4.175 4.174 .10 (W/m.K) (kg/m3) 66.080 982.12 65.570 984.67 65.020 987.12 65.075 986.87 64.475 990.87 .106 (m2/s) 0.465 0.501 0.540 0.537 0.582 .10 (1/K) 5.228 456.74 4.924 493.40 4.614 533.40 4.645 529.40 4.335 575.37 Vtr.106 (N.s/m2) 2.894 280.15 3.540 273.10 4.120 263.70 3.925 261.35 2.980 260.17 CPC (kJ/kg.K) 4.221 4.223 4.225 4.226 4.220 C.10 (W/m.K) 68.310 958.03 68.340 956.92 68.380 955.44 68.390 955.07 68.305 958.21 C.103 (N.s/m2) 0.294 281.32 0.290 277.80 0.286 273.10 0.285 271.92 0.294 281.91 CPS (kJ/kg.K) 4.220 4.220 4.220 4.220 4.220 S.10 (W/m.K) S (kg/m3) 68.300 958.40 68.300 958.40 68.300 958.40 68.300 958.40 68.300 958.40 PrS 1.750 1.750 1.750 1.750 1.750 PrVng 1.735 1.690 1.630 1.615 1.743 rS (kJ/kg) 2256.8 00 2256.8 00 2256.8 00 2256.8 00 2256.8 00 Nươ ùc chả y tron g oáng .106 (N.s/m2) Pr C (kg/m3) Nươ ùc ngư ng tụ Hơi nướ c bão hòa 4.3 C.106 (m2/s) Tính toán nhiệt lượng, xác định tổn thất nhiệt Nhiệt lượng, tổn thất nhiệt Q1 (W) Vị trí chảy tràn (inch) 746.94 14 ẵ 1239.77 ắ 1218.8 02 1458.0 05 1½ 1006.56 Q (W) 520.03 226.90 Q (%) 30.378 Q2 (W) 1214.1 99 243.80 1054.75 -410.751 1109.2 26 109.57 33.131 8.990 16.722 4.788 829.026 48.194 4.4 Tính toán xác định hệ số cấp nhiệt phía nước chảy ống phía nước ngưng tụ Các đại lượng Pr Trao đổi nhie ät phía nướ c chả y tron g ống Trao đổi nhie ät phía nướ c ngưn g tụ Truy ền nhie ät tổn g PrVtr Re Gr NuN (N)TT hay (tr)TT, W/ m2.K (N)TN hay (tr)TN, W/ m2.K (C) TT, W/ m2.K (C) TN, W/ m2.K (NuC) TT Q= Q 1, W Tlog, K KTT, W/ m2.K Cô ng thư ùc Tra baû ng Tra baû ng 11 (12b ) (12), (13) Vũ trớ taỏm chaỷy traứn (inch) ẵ ắ 1½ 2.894 3.540 4.120 3.925 2.980 1.735 1.690 1.630 1.615 1.743 902.1 242691 0.1 1734.0 237330 4.8 2296.3 2281083 2647.1 2350720 2970.6 8.814 10.464 12.279 12.671 12.161 (12), (13) 422.1 497.2 578.5 597.5 568.2 (6)' 724.6 997.9 823.4 976.3 718.5 (16)' 2337.3 1657.5 1399.3 1360.1 2778.2 (7)' 17183.6 6848.4 4581.6 4457.9 69705.5 (17)' 2087.2 1479.5 1248.3 1213.1 2481.1 (1)' 746.9 1239.8 1218.8 1458.0 1006.6 (10)' 34.2 40.9 47.1 46.6 52.2 (19)' 357.5 382.5 409.3 415.1 471.7 15 1750243.4 4.5 a) (9)' 826.6 1145.8 978.0 1184.8 729.1 (20)' 357.4 382.3 409.2 415.0 471.5 (21)' 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 Đồ thị Đồ thị biểu diễn mối quan hệ: Nu N= f(Re), Ktt = f(Re) Đồ thị 1: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI QUAN HỆ GIỮA NuNVÀ Re Nu_N=f(Re) 14.000 12.000 10.000 Nu_N t KTN, W/ m2.K K’TT, W/ m2.K K’TT/ KTT 8.000 6.000 4.000 2.000 0.000 500.0 1000.0 1500.0 2000.0 2500.0 3000.0 3500.0 Re Độ thị : ĐỘ THỊ BIỂU DIỄN MỐI QUAN HỆ GIỮA Ktt VAØ Re 16 Re KTT=f(Re) 450 400 350 Ktt 300 250 200 150 100 50 500.0 1000.0 1500.0 2000.0 2500.0 3000.0 3500.0 Re b) Đồ thị biểu diễn mối tương quan so sánh đại lượng tính toán thực nghiệm Đồ thị : MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH GIỮA (αN)tt VÀ (αN)TN (αN)TT (αN)TN 1200.000 1000.000 800.000 (αN)tt (αN)tn 600.000 400.000 200.000 0.000 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 Đồ thị : MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH (αC)tt VÀ (αC)TN 17 (αC)TT (αC)TN 80000.000 70000.000 60000.000 50000.000 (αC)tt (αC)tn 40000.000 30000.000 20000.000 10000.000 0.000 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 Đồ thị : MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH Ktt VÀ KTN KTT KTN 1400 1200 1000 Ktt Ktn K 800 600 400 200 0.5 1.5 2.5 chế độ làm việc 3.5 4.5 5.5 BAØN LUẬN 5.1 Giải thích thí nghiệm với vị trí chảy tràn mức “0” mà nước oỏng vaón chaỷy Mửực 0, ẳ, ẵ, ắ, 1, ẳ,1 ẵ laứ khoaỷng caựch tớnh theo inch cuỷa mực nước bình chảy tràn so với vị trí cao ống dẫn nước lạnh bình trao đổi nhiệt 18 Trước thí nghiệm, chảy tràn để vị trí “0” cấp đủ nước cho bình chảy tràn nước không chảy ống đứng thoát lúc mực nước bình chảy tràn với vị trí cao ống =>Δ P = => nước chảy chênh lệch áp suất Khi tiến hành thí nghiêm với chảy tràn vị trí “0” nước ống đứng có chảy ta dùng nước để cấp nhiệt làm cho dòng lạnh bị nóng lean, xuất di động lưu chất có chênh lệch mật độ (khối lượng riêng) vùng có nhiệt độ khác 5.2 Nhận xét mức độ tổn thất nhiệt Vị trí chảy tràn(inch) ΔQ (%) Q (W) ẵ ắ 1ẵ 30.378 33.131 8.990 16.722 4.788 -109.576 243.806 48.194 226.907 -410.751 Khi taám chảy tràn vị trí “0”, “1/2”, “¾”,”1” tổn thất nhiệt tương ứng ΔQ