Thí nghiệm quá trình thiết bị phần đối lưu nhiệt

ĐỐI LƯU NHIỆT 1) Phân biệt dòng lưu chất chuyển động tự nhiên (đối lưu tự nhiên) và chuyển động cưỡng bức (đối lưu cưỡng bức)? Đối lưu tự nhiên Đối lưu cưỡng bức Phân biệt dựa theo giá trò của tỷ số 5,2 Re Gr 5,2 Re Gr ≥ 10 -2 5,2 Re Gr ≤ 10 -3 2) Bản chất của sự trao đổi nhiệt đối lưu. Phân biệt đối lưu tự nhiên với đối lưu cưỡng bức. Cho ví dụ minh họa. Bản chất của sự trao đổi nhiệt đối lưu: là sự trao đổi nhiệt đi kèm với sự chuyển động của 2 dòng lưu chất. Đối lưu tự nhiên Đối lưu cưỡng bức Sự chuyển động của lưu chất là do sự chênh lệch về nhiệt độ. Sự chuyển động của lưu chất chủ yếu là do tác động của các yếu tố khác ngoài nhiệt độ như: sự chênh lệch về áp suất thủy tónh, tác động cơ học, … VD: đun nước, dàn ống lạnh, hiện tượng gió và gió mùa, gió núi, gió biển, đốt cỏ khô…. VD: sự cấp nhiệt khi dòng lưu chất chuyển động dọc theo tường phẳng, sự cấp nhiệt khi khuấy chất lỏng bằng các cánh khuấy,… 3) Giải thích ý nghóa của hệ số dẫn nhiệt (λ), hệ số cấp nhiệt (α) và hệ số truyền nhiệt (K). - Ý nghóa của hệ số dẫn nhiệt (λ) : đặc trưng cho sự dẫn nhiệt của vật liệu. - Ý nghóa của hệ số cấp nhiệt (α) : đặc trưng cho sự cấp nhiệt từ bên ngoài vào dòng lưu chất hay từ dòng lưu chất ra bên ngoài. - Ý nghóa của hệ số truyền nhiệt (K) : đặc trưng cho quá trình truyền nhiệt mà ta đang xét. 4) Chuẩn số Grasshof (Gr) là chuẩn số đồng dạng đặc trưng cho đối lưu nhiệt tự nhiên hay đối lưu nhiệt cưỡng bức? Nêu ý nghóa vật lý của chuẩn số Gr? - Chuẩn số Gr là chuẩn số đồng dạng đặc trưng cho sự đối lưu nhiệt tự nhiên của dòng không đẳng nhiệt. Gr = tGa ∆ β . = 2 3 ν gl t∆ β = sátmanộilực nânglực - Đặc trưng cho tác dụng tương hỗ của lực ma sát phân tử và lực nâng do sự chênh lệch khối lượng riêng ở các điểm có nhiệt độ khác nhau của dòng. 1 5) Cho biết ý nghóa vật lý của các chuẩn số đồng dạng sau đây: Re, Pr, Ga, K, Nu? CHUẨN SỐ CÔNG THỨC Ý NGHĨA VẬT LÝ Chuẩn số Reynolds Re = ν ω Đặc trưng cho chế độ chảy của dòng lưu chất. Chuẩn số Prandtl Pr = a ν Đặc trưng cho tính chất vật lý của dòng chất tải nhiệt. Chuẩn số Galiley Ga = 2 32 gl Fr Re ν = Đặc trưng cho tương quan giữa lực ma sát phân tử và trọng lực trong dòng. Chuẩn số chuyển pha Kutalelagze K = tc r ∆ Đặc trưng cho quá trình truyền nhiệt của một chất khi chuyển pha ở nhiệt độ hơi bão hòa. Chuẩn số cấp nhiệt Nusselt Nu = λ αl Đặc trưng cho cường độ cấp nhiệt trên biên giới tiếp xúc giữa dòng chất tải nhiệt và bề mặt cấp nhiệt. 6) Trong bài thí nghiệm, hãy cho biết quá trình trao đổi nhiệt nào là quá trình đối lưu nhiệt và cho biết sự khác biệt căn bản giữa các dạng đối lưu nhiệt đó? Đó là quá trình truyền nhiệt giữa hơi nước bão hoà ngưng tụ trên bề mặt ngoài ống đứng với dòng nước lạnh chảy trong ống gồm : - Hơi nước bão hoà ngưng tụ trên bề mặt ống đứng : trao đổi nhiệt đối lưu trong trường hợp có biến đổi pha. - Dòng nước lạnh chảy trong ống : trao đổi nhiệt đối lưu ở dòng lưu chất không có biến đổi pha. 7) Nusselt thiết lập công thức tính hệ số cấp nhiệt α (công thức 16) với những giả thiết như thế nào về quá trình trao đổi nhiệt đối lưu ở môi trường hơi tinh khiết ngưng tụ? • Nusselt đã dựa trên giả thiết: - Chất ngưng tụ chảy màng. - Ngưng tụ hơi tinh khiết trên bề mặt ống đứng. • µπ = dn G4 Re < 2000 8) Cho biết chức năng của: bình chứa, nồi hơi, buồng trao đổi nhiệt và bình chảy tràn? - Bình chứa: chứa nước và khí nén → cấp nước cho nồi hơi. - Nồi hơi: gia nhiệt cho nước bốc hơi và gia nhiệt cho hơi nước. - Buồng trao đổi nhiệt: nơi xảy ra quá trình trao đổi nhiệt đối lưu giữa dòng hơi và dòng nước lạnh giúp ngưng tụ hơi nước. - Bình chảy tràn: có tác dụng cung cấp một lưu lượng nước ổn đònh chảy trong ống. 9) Anh chò hiểu như thế nào về vò trí tấm chảy tràn ở mức “0, ¼, ½, ¾, 1, 1 ¼,1 ½”? Những con số này có ý nghóa gì? Mức “0, ¼, ½, ¾, 1, 1 ¼,1 ½” là khoảng cách tính theo inches của mực nước trong bình chảy tràn so với vò trí cao nhất trong ống dẫn nước lạnh trong bình trao đổi nhiệt. • vò trí “0”: đối lưu nhiệt tự nhiên. • vò trí ¼, ½, ¾, 1, 1 ¼,1 ½: đối lưu nhiệt cưỡng bức. 2 10) Theo anh chò, trước khi thí nghiệm, nếu tấm chảy tràn để ở vò trí “0” và cấp đủ nước cho bình chảy tràn thì nước có chảy trong ống đứng và thoát ra ngoài không? Hãy phán đoán xem khi tiến hành thí nghiêm với tấm chảy tràn ở vò trí “0” thì nước trong ống đứng có chảy ra không? Tại sao? - Trước khi thí nghiệm, nếu tấm chảy tràn để ở vò trí “0” và cấp đủ nước cho bình chảy tràn thì nước không chảy trong ống đứng và thoát ra ngoài vì lúc đó mực nước trong bình chảy tràn bằng với vò trí cao nhất trong ống ⇒ ∆P = 0 ⇒ nước không thể chảy do không có sự chênh lệch về áp suất. - Khi tiến hành thí nghiêm với tấm chảy tràn ở vò trí “0” thì nước trong ống đứng có chảy ra vì khi đó ta dùng hơi nước để cấp nhiệt làm cho dòng lạnh bò nóng lên → có sự đối lưu nhiệt tự nhiên. 11) Trong bài thí nghiệm, dòng lưu chất nào chảy trong ống và dòng lưu chất nào chảy ngoài ống truyền nhiệt? Khi thí nghiệm, hiện tượng gì sẽ xảy ra trên bề mặt ống đặt trong buồng ống trao đổi nhiệt? - Dòng nước lạnh chảy trong ống và dòng hơi nóng chảy phía ngoài ống. - Khi thí nghiệm, phía trên bề mặt ống có những giọt nước ngưng tụ; càng xuống phía dưới ống nước ngưng tụ càng nhiều và chảy thành màng mỏng. 12) Khi thí nghiệm, áp suất trong buồng trao đổi nhiệt vào khoảng bao nhiêu? Tại sao biết? p suất trong buồng trao đổi nhiệt tương ứng với áp suất hơi bão hòa của nước ngưng tụ, tương ứng với nhiệt độ ngưng tụ của hơi nước đo được. 13) Hãy chỉ rõ đường đi của dòng nước lạnh. Hãy đặt ống nghiệm để đo lượng nước đó? Dòng nước lạnh từ bơm → bình chảy tràn → vò trí tấm chảy tràn → phía dưới ống trao đổi nhiệt → phía trên ống trao đổi nhiệt → theo đường ống dẫn đến phễu, qua van 5 đổ vào bình đo. Do đó, ta đặt bình đo lượng nước ở cuối van 5. 14) Hãy chỉ rõ đường đi của hơi cấp vào buồng trao đổi nhiệt. Hãûy đặt ống nghiệm vào đúng vò trí để đo lượng nước ngưng tụ chảy ra? Dòng hơi cấp được cung cấp từ nồi hơi theo đường ống qua van 7 và van 6 đi vào trong buồng ống. Nhờ lớp lưới giúp hơi tỏa đều khắp bề mặt đáy rồi đi lên phía trên của buồng ống. Sau đó nó đi vào lớp lưới bao xung quanh ống trao đổi nhiệt và bắt đầu ngưng tụ thành nước chảy ngược xuống dưới. Nước ngưng tụ sẽ theo một đường ống khác chảy vào bình đo. Lượng hơi nước ngưng tụ phía bên ngoài lưới được thải bỏ qua van xả S 4 . Còn lượng nước còn lại trong ống chảy vào bình đo được thải bỏ qua van S 2 khi tiến hành thí nghiệm mới. 15) Hãy giải thích lý do bố trí ống cấp hơi vào buồng trao đổi nhiệt như ở thiết bò thí nghiệm? Từ nồi hơi, ống cấp hơi chia thành hai nhánh, một nhánh cung cấp vào buồng trao đổi nhiệt qua van 7, ống còn lại dùng để xả hết hơi khi đã ngừng thí nghiệm qua van S 5 . Van 6 dùng để điều chỉnh lượng hơi vào trong buồng trao đổi nhiệt. Phần ống cấp hơi ở trong buồng trao đổi nhiệt có đầu ra ngập vào trong một lớp lưới, có tác dung làm cho dòng hơi được phân phối đều từ dưới lên trên buồng trao đổi nhiệt. Khi ngừng thí nghiệm, lượng hơi trong buồng trao đổi nhiệt được thải bỏ qua van S 3 . 16) Hãy cho biết qui trình cấp nước vào ống thí nghiệm? Nước từ bơm cung cấp cho bình chảy tràn qua van V 1 . 3 Ta điều chỉnh vò trí của tấm chảy tràn cho thích hợp. Khi mực nước trong bình vượt qua tấm chảy tràn thì nước sẽ chảy qua V 2 và đổ ra ngoài để mực nước trong bình chảy tràn được ổn đònh. Nước từ bình chảy tràn theo ống dẫn chảy vào đầu dưới của ống trao đổi nhiệt đi lên phía trên ống, rồi theo đường ống dẫn đổ vào cái phễu và qua V 5 đổ ra ngoài. 17) Hãy cho biết quy trình cấp hơi nước vào buồng thí nghiệm? Thực hiện theo các bước sau: 1) Khóa các van: S 1 , S 3 , S 5 , V 3 , V 6 và V 8 . 2) Mở van S 4 xả hết nước ngưng dư rồi khoá lại. 3) Mở van V 7 4) Cho nước vào bình chứa đến ¾ chiều cao bình và mở nắp bình. Mở van V 8 cấp nước cho nồi đun và khoá van V 8 khi mức nước trong nồi đun đạt 2/3 chiều cao ống chỉ mức 5) Đóng van V 7 6) Cấp điện cho bộ điện trở đun nước R 1 cho đến khi áp suất trong nồi đun đạt khoảng 13 PSL. 7) Cấp điện cho bộ điện trở R 2 để gia nhiệt cho hơi nước ( nếu có R 2 ). 18) Lượng nước cấp cho bình chứa và nồi hơi bao nhiêu là vừa theo quy đònh bài thí nghiệm? Tại sao không được cấp nước vào đầy nồi hơi? - Cho nước vào bình chưá đến ¾ chiều cao bình . - Cấp nước cho nồi hơi đạt 2/3 chiều cao ống chỉ mức. - Không được cấp nước vào đầy nồi hơi vì: cần có khoảng không cho nước bốc hơi, nếu không sẽ rất nguy hiểm khi nước bay hơi, áp suất tăng cao gây nổ nồi hơi. 19) Sau khi kết thúc một thí nghiệm, muốn cấp nước vào nồi hơi để làm thí nghiệm tiếp theo thì làm thế nào? Sau khi đo xong, ngắt điện cấp cho nồi hơi, đóng các van V 6 , V 7 , mở van xả hơi S 5 . Nạp nước vào bình chứa. Mở van V 8 cấp nước cho nồi hơi rồi khóa V 8 lại, khóa van xả hơi S 5 . 20) Hãy cho biết các đại lượng nào cần đo khi làm thí nghiệm? Đo bằng các dụng cụ nào? - Lượng nước ngưng tụ chảy ra trong một khoảng thời gian nhất đònh và nhiệt độ của nước ngưng tụ (ống đong và nhiệt kế). - Lượng nước chảy trong ống trong một khoảng thời gian nhất đònh. - Nhiệt độ t 1 , t 2 , t 3 , t 4 ( đồng hồ hiện số ). - p suất trong nồi hơi (áp kế P 1 ). - Nhiệt độ của hơi trong nồi hơi (đồng hồ đo nhiệt độ T 2 ). - Nhiệt độ của nước trong nồi hơi (đồng hồ đo nhiệt độ T 1 ). - p suất hơi đo bằng đồng hồ áp suất P 2 . - Nhiệt độ hơi vào buồng ngưng tụ đo bằng đồng hồ nhiệt độ T 3 . Chú ý: Trong khi đo thường xuyên quan sát mức nước ở bình chảy tràn và mức nước trong nồi hơi. 21) Các nhiệt độ t 1 , t 2 , t 3 , t 4 là nhiệt độ của cái gì? Vò trí đo ở đâu? - t 1 , t 3 : nhiệt độ đầu và cuối của dòng nước chảy trong ống , o C - t 2 , t 4 : nhiệt độ tại thành ngoài ở đầu vào (đầu dưới) và đầu ra (đầu trên) của ống , o C. 22) Đơn vò đo ở các đồng hồ đo nhiệt độ là gì? Cách quy đổi ra nhiệt độ o C? - Đơn vò đo ở đồng hồ hiện số là o C. 4 - Đơn vò đo của đồng hồ đo nhiệt độ T 1 , T 2 và T 3 là o F. t o F = 5 9 t o C + 32 23) Đơn vò đo áp suất ở các áp kế trên các thiết bò thí nghiệm là gì? Cách quy đổi ra bar, at hoặc mmHg? p suất đọc được trên đồng hồ đo áp suất là gì? (áp suất dư hay áp suất tuyệt đối). - Đơn vò đo ở các áp kế là PSI. 1PSI = 51,7mmHg 1at = 735mmHg = 9,81.10 4 Pa = 14,22 PSI 1 bar = 10 5 Pa - p suất đọc được trên các đồng hồ đo áp suất là áp suất dư. 24) Em hiểu thế nào là truyền nhiệt ở chế độ ổn đònh? Trong quá trình thí nghiệm, các đại lượng sẽ được đo ở chế độ truyền nhiệt ổn đònh hay không ổn đònh? Dấu hiệu nào cho biết thời điểm sẽ tiến hành đo đồng loạt các đại lượng cần đo? - Truyền nhiệt ở chế độ ổn đònh có nghó a là trường nhiệt không phụ thuộc vào thời gian, chỉ phụ thuộc vào tọa độ: T(x, y z) - Trong quá trình thí nghiệm, các đại lượng sẽ được đo ở chế độ truyền nhiệt ổn đònh. - Dấu hiệu cho biết thời điểm sẽ tiến hành đo đồng loạt các đại lượng cần đo là:nhiệt độ ở các đồng hồ đo nhiệt độ ổn đònh, không dao động. 25) Khi đang thí nghiệm, nếu nước ngừng cấp vào bình chảy tràn thì phải xử lý như thế nào trong tình huống đó? - Khi đang thí nghiệm, nếu nước ngừng cấp vào bình chảy tràn thì ta phải ngắt điện cấp cho nồi hơi, đóng các van V 6 , V 7 và mở van xả hơi S 5 . - Mở vòi S 4 xả hết nước nóng rồi khóa vòi S 4 lại. 26) Nếu không có máy nén khí để tạo áp suất cho bình chứa thì việc cấp nước cho nồi hơi có thể thực hiện thế nào trong thí nghiệm đầu tiên và khi chuyển sang chế độ thí nghiệm khác? - Nếu không có máy nén khí để tạo áp suất cho bình chứa thì việc cấp nước vẫn được thực hiện do có sự chênh lệch về độ cao (có nghóa là chênh lệch về áp suất thủy tónh giữa bình chứa nước và nồi hơi). 27) Khi áp suất trong nồi hơi cao hơn 15PSI thì phải xử lýnhư thế nào? - Khi áp suất trong nồi hơi cao hơn 15PSI thì phải mở van xả hơi S 5 và đợi cho áp suất giảm xuống còn 15PSI thì khóa van lại. 5