Truyền nhiệt ống lồng ống

I TRÍCH YEÁU 1) Muïc ñích thí nghieäm Laøm quen vôùi thieát bò truyeàn nhieät oáng loàng oáng, caùc duïng cuï ño nhieät ñoä vaø löu löôïng löu chaát Xaùc ñònh heä soá truyeàn nhieät trong quaù trình t[.]

I TRÍCH YẾU 1) 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 dòng lạnh, nóng, qua vách ngăn kim loại, chế độ chảy khác - Thiết lập cân nhiệt lượng 2) Phương pháp thí nghiệm: Tiến hành thí nghiệm với loại ống khác (ống B ống C) với chế độ dòng chảy khác Cụ thể sau: - Với loại ống, ta làm thí nghiệm với nhiều giá trị lưu lượng dòng nóng - Ứng với giá trị dòng nóng ta đo giá trị dòng lạnh - Đọc nhiệt độ dòng ra, vào ứng với trường hợp cụ thể 3) Kết quả: Lưu lượng dịng nóng (ft3/ph) ỐN G Lưu lượng t1V dòng lạnh (ft3/ph) 0.2 101 0.3 100 C 0.4 99 0.5 79 0.2 94 0.3 95 B 0.4 95 0.5 95 - - 0.2 0.3 0.4 0.5 t1R t2V t2R t1V t1R t2V t2R t1V t1R t2V t2R t1V t1R t2V t2R 89 40 85 83 83 81 80 80 42 40 40 39 43 42 41 39 53 46 45 43 48 45 43 41 96 87 95 85 94 83 93 81 95 86 95 85 95 84 95 84 44 42 41 40 44 43 42 41 50 47 45 44 52 47 45 43 92 92 91 91 94 94 94 93 86 84 82 80 88 87 86 85 50 48 46 45 50 48 46 44 89 89 89 88 92 92 91 90 84 83 81 79 86 85 84 84 44 43 42 41 46 44 43 42 50 49 47 45 51 48 47 45 44 42 41 40 46 44 44 42 Từ kết quảnhiệt độ dòng nóng, dòng lạnh đầu vào, đầu ta tính giá trị nhiệt lượng Q, tổn thất nhiệt ΔQ, giá trị Δtlog, hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm Kl1, Kl2 ứng với dòng nóng, dòng lạnh, hệ số cấp nhiệt α1, α2 vách trong, ống truyền nhiệt Ta tính hệ số Re dòng chảy, hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết Kl* lập bảng kết tính Kl1, Kl2 Kl* theo chế độ chảy Re Page of 47 - Sau cùng, ta dựng đồ thị Kl*, Kl1, Kl2 theo Re 4) Nhận xét: - Nhiệt độ trung bình dòng lạnh ống C gần so với nhiệt độ trung bình dòng lạnh ống B - Nhiệt độ trung bình dòng lạnh ống C cao từ ÷ 10 độ so với nhiệt độ trung bình ống B  Qua nhận xét sơ trên, ta thấy cho dòng nước nóng (ở 100oC) dòng nước lạnh (ở 38oC) chảy qua hệ thống ống B C, ống C việc trao đổi nhiệt diễn hiệu so với ống B (biểu kết nhiệt độ trung bình dòng lạnh vào ống C B gần nhau, nhiệt độ trung bình dòng nóng ống C lại cao so với ống B)  Về ảnh hưởng chế độ chảy Re lên hệ số truyền nhiệt dài ống B C phân tích qua bảng đồ thị sau II LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM 1) Các phương thức truyền nhiệt bản: - Dẫn nhiệt: trình truyền nhiệt có tiếp xúc trực tiếp vật vật có nhiệt độ khác Đặc trưng hệ số dẫn nhiệt λ (W/m.K ): lượng nhiệt truyền qua bề mặt đẳng nhiệt độ đơn vị thời gian, theo đơn vị chiều dài độ biến thiên nhiệt độ vật thể 1K - Đối lưu: trình truyền nhiệt lưu chất chuyển động từ vùng sang vùng khác có nhiệt độ khác Đặc trưng hệ số cấp nhiệt α (hay hệ số tỏa nhiệt) (W/m2.K): lượng nhiệt truyền đối lưu đơn vị thời gian, qua đơn vị diện tích bề mặt tỏa nhiệt độ chênh lệch nhiệt độ vách lưu chất 1K - Bức xạ: trình truyền nhiệt dạng sóng điện từ  Quá trình truyền nhiệt thiết bị dạng ống lồng ống ví dụ truyền nhiệt phức tạp Ở diễn trao đổi nhiệt hai lưu chất ngăn cách vách ngăn kim loại, bao gồm truyền nhiệt đối lưu từ dòng nóng đến vách, dẫn nhiệt qua thành ống kim loại đối lưu nhiệt dòng lạnh với thành ống 2) Phương trình cân nhiệt lượng cho hai dòng lưu chất: Q = G1C1(t1V – t1R) = G2C2(t2V – t2R) ,W Page of 47 Trong đó: G1, G2: Lưu lượng dòng nóng dòng lạnh (kg/s ) C1, C2: Nhiệt dung riêng trung bình dòng nóng dòng lạnh (J/kg.K) t1V, t1R: Nhiệt độ vào dòng nóng (K) t2V, t2R: Nhiệt độ vào dòng lạnh (K) 3) Phương trình biểu diễn trình truyền nhiệt: Q = Kl.Δtlog.L Trong đó: L: Chiều dài ống, m Kl: Hệ số truyền nhiệt dài (thực Δt − Δt n nghiệm), W/mK Δt log = l Δtlog: Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit, Δt l ln K Δt n 4) Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết Kl*: π d ng ¿ Kl = rb 1 + ln + + α d tr 2λ d tr α d ng db Trong đó: dng, dtr: Đường kính đường kính ống truyền nhiệt, m λ: Hệ số dẫn nhiệt kim loại làm ống (ở Cu), W/mK rb: Nhiệt trở lớp cáu db: Đường kính lớp cáu, m Bài ta bỏ qua ảnh hưởng lớp cáu đến trình truyền nhiệt 5) Tính toán hệ số cấp nhiệt α1, α2 vách ngăn dòng lưu chaát: ( ) Pr Nu= A Re Pr Pr t m n 25 εl ε R Các hệ số A, n, m, l, R hệ số thực nghiệm, tùy thuộc vào yếu tố sau:  Chế độ chảy dòng lưu chất  Sự tương quan dòng chảy bề mặt truyền nhiệt  Đặc điểm bề mặt truyền nhiệt (độ nhám, hình dạng ) Page of 47 6) Xác định chế độ chảy lưu chất chuẩn số Re: Re= wl ν Trong đó: w: Vận tốc dòng, m/s ν: Độ nhớt động học lưu chất, m2/s l: Kích thước hình học đặc trưng, m Trường hợp dòng lưu chất chuyển động qua tiết diện không tròn, l tính với đường kính tương đương dtđ d td = 4F Π Trong đó: F: Diện tích mặt cắt (tiết diện ngang mà dòng lưu chất chuyển động qua), m2 : Chu vi tiết diện ướt (chu vi mà chất lỏng tiếp xúc với bề mặt trao đổi nhiệt), m ν: Độ nhớt động học lưu chất, xác định nhiệt độ trung bình dòng lưu chất 7) Xác định chuẩn số Nu cho phương thức chảy ngang (ống kiểu B): 5< Re< 10 0,5 Nu=0,5 Re Pr , 38 ( ) ( ) ( ) Pr Pr v , 25 0, 25 Pr 10 ≤Re 104: 0,8 Nu=0 , 021 Re Pr 0,43 ( ) Pr Pr v ,25 Giá trị 1 phụ thuộc vào tỉ lệ L/d Re < 104: L/d 10 15 20 30 40 l 1,9 1,7 1,44 1,28 1,18 1,13 1,05 1,02 50 Khi Re > 104, l phụ thuộc vào Re: Re 10 1.104 1,23 2.104 1,18 5.104 1,13 1.10 1,10 1.10 1,05  Chuẩn số Pr: Pr = 20 1,13 1,10 1,08 1,06 1,03 L/d 30 1,07 1,05 1,04 1,03 1,02 40 1,03 1,02 1,02 1,02 1,01 ν a 50 1 1 Trong đó: ν: Độ nhớt động học lưu chất, m2/s α: Hệ số dẫn nhiệt lưu chất, m2/s  Chuẩn số Gr: g l β Δt Gr= ν2 Trong đó: Δt: hiệu nhiệt độ thành ống lưu chất β: hệ số giãn nở thể tích, 1/K Pr: chuẩn số Prandtl lưu chất xác định nhiệt độ trung bình lưu chất Prv: chuẩn số Prandtl lưu chất xác định nhiệt độ nhiệt độ trung bình thành ống Nếu nhiệt độ thành ống (vách) không biết, việc tính toán thực theo trình tự sau: t1 Δt1 ΔtV Δt2 tV1 tV2 Page of 47 Δtlog t2 Hình: Sơ đồ phân bố nhiệt độ truyền nhiệt lưu chất qua vách ngăn Δt1 = t1 – tv1 Δt2 = tv2 – t2 Ta thực phép tính lặp Khởi điểm ta chọn gần hiệu số nhiệt độ lưu chất vách ngăn sau: t1 t2 ~ Re1 Re2 Hiệu số nhiệt độ log biểu diễn sau: Δt log− 1÷2 C= Δt +Δt ( Từ ) Δt log −(1÷2 ) Δt −( 1÷2 ) tính được: Δt = log Re Re 1+ 1+ Re2 Re1 Pr nhieät Từ ta tính độ trung bình lưu chất vách ngăn, tính Pr v Nu Nu λ α= l , W/m2K Δt = Trong đó: : hệ số dẫn nhiệt lưu chất, W/mK l: kích thước hình học đặc trưng, m Sau có kết tính 1, 2 ta kiểm tra t1, t2 phương trình sau: q=K Δt log=α Δt =α Δt Δt = K Δt log Δt = K Δt log α1 α2 Suy ra: Sai soá cho phép 5% chưa đạt, trình tính lặp lại với giá trị Δt1, Δt2 III DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 1) Dụng cụ thiết bị thí nghiệm: - Hệ thống thiết bị thí nghiệm (xem hình giáo trình) có kiểu kết cấu bề mặt truyền nhiệt sau:  Kiểu A: loại ống nhún (ống đàn hồi được)  Kiểu B: loại ống lồng ống mà lưu chất chảy ngang mặt ống Hai dòng lưu chất có phương vuông góc  Kiểu C (C1, C2, C3): loại ống lồng ống đơn giản, lưu chất chảy dọc bề mặt ống Hai dòng chảy có phương song song  Nồi đun nước có điện trở gia nhiệt Page of 47 - Bơm nước lên hệ thống ống - Các loại van - Lưu lượng kế phao (Rotamet) - Dụng cụ đo nhiệt độ (nhiệt điện trở) Kích thước ống : Kiểu ống Đường kính ( mm ) Ống Chiều dài ( mm ) Ống B 14/16 26/28 925 C 14/16 26/28 1000 2) Phương pháp thí nghiệm:  Chuẩn bị: - Làm quen với hệ thống thiết bị, tìmhiểu van tác dụng - Làm quen với thiết bị đo nhiệt độ, vị trí đo cách điều chỉnh công tắc để đo nhiệt độ - Làm quen với thiết bị đo lưu lượng cách điều chỉnh lưu lượng - Xác định đại lượng cần đo - Đo lưu lượng dòng nóng, dòng lạnh, nhiệt độ vị trí cần thiết - Lập bảng ghi kết đo  Trình tự thí nghiệm: - Cấp nước đầy vào nồi đun (khi nước bắt đầu chảy qua ống chảy tràn) - Đóng cầu dao R1, R2, R3 R4 để đun nước - Trong lúc chờ nước đạt nhiệt độ cần thiết, tìm hiểu đường dòng hệ thống thí nghiệm van chiều I II (mặc định van I cố định) - Khi nước sôi, bắt đầu tiến hành thí nghiệm - Mở van V1, V2, V3, V6 V7 Van V5 đóng - Đóng cầu dao P1 để khởi động bơm, bơm dòng nóng vào hệ thống thiết bị thí nghiệm Muốn khảo sát ống ta mở van chặn tương ứng đầu vào dòng nóng (VN1, VN2, VN3, VN4, VN5) đầu dòng lạnh (VL1, VL2, VL3, VL4, VL5) ống Khóa tất van khác lại - Đóng từ từ van V3 để điều chỉnh lưu lượng dòng nóng (hoàn lưu phần dòng nóng lại nồi đun) - Chú ý dòng nóng đo liên tục hoàn lưu để giảm tổn thất nhiệt Do có lưu lượng kế nên ta dùng van II để cố định lưu lượng dòng nóng, sau đổi chiều van II để đo lưu lượng dòng lạnh (ứng với lưu lượng dòng nóng đo giá trị lưu lượng dòng lạnh) - Ghi đại lượng cần đo trình ổn định hoàn toàn Page of 47 - Điều chỉnh lưu lượng dòng để thay đổi chế độ chảy lặp lại thí nghiệm với thông số ổn định Trong này, ta đo giá trị ống B ống C Page of 47 Page of 47 IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 1) ỐNG B: ST T G1 (m3/s) 0.00009 4 0.00011 10 11 0.00013 12 13 14 0.00015 G2 (m3/s) 0.00009 0.00014 0.00018 0.00022 0.00009 0.00014 0.00018 0.00022 0.00009 0.00014 0.00018 0.00022 0.00009 0.00014 t1V (oC) BẢNG 1: THƠNG SỐ DỊNG NĨNG (ỐNG B) ρ1 t1R t1TB Cρ1 Cρ1 o o ( C) ( C) (kg/m ) (kcal/kg.độ) (J/kg.độ) 80 69 74.5 974.89 1.0021 4192.70 80 69 74.5 974.89 1.0021 4192.70 81 69 75 974.89 1.0021 4192.70 81 69 75 974.89 1.0021 4192.70 80 72 76 974.89 1.0023 4193.41 81 71 76 974.89 1.0023 4193.41 81 71 76 974.89 1.0023 4193.41 81 70 75.5 974.89 1.0023 4193.41 80 72 76 974.89 1.0023 4193.41 80 71 75.5 974.89 1.0023 4193.41 80 70 75 974.89 1.0021 4192.70 80 70 75 974.89 1.0021 4192.70 79 72 75.5 974.89 1.0023 4193.41 79 71 75 974.89 1.0021 4192.70 Page 10 of 47 λ1 (W/m.độ) 0.6709 0.6697 0.6695 0.6686 0.6718 0.6713 0.6697 0.6697 0.6693 0.6679 0.6672 0.6663 0.6660 0.6645 μ1 (N.s/m2) 0.0003790 0.0003799 0.0003799 0.0003799 0.0003750 0.0003750 0.0003750 0.0003750 0.0003750 0.0003750 0.0003790 0.0003790 0.0003750 0.0003790 Pr1 2.393 2.393 2.377 2.377 2.347 2.347 2.347 2.362 2.347 2.362 2.377 2.377 2.362 2.377