Thí nghiệm quá trình thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống

lOMoARcPSD|17160101 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ PHÚC TRÌNH THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ Bài: TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG CBHD: Nguyễn Sĩ Xuân Ân Sinh viên: Lê Khắc Hưng MSSV: 1611427 Nhóm, lớp: H1.1, TNH1 Ngày TN: 12/09/2018 Năm học 2018 - 2019 lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống MỤC LỤC TRÍCH YẾU 1.1 Mục đích thí nghiệm 1.2 Phương pháp 1.3 Kết thí nghiệm (Số liệu thơ) 1.4 Nhận xét kết LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM 2.1 Phương trình cân nhịêt lượng cho hai dịng lưu chất 2.2 Phương trình biểu diễn trình truyền nhiệt 2.3 Độ chênh lệch nhịêt độ trung bình logarit 2.4 Hệ số truyền nhiệt lí thuyết, K*1 2.5 Hệ số cấp nhiệt 1, 2 vách ngăn dòng lưu chất 2.6 Chế độ chảy lưu chất đặc trưng chuẩn số Re 2.7 Chuẩn số Nu DỤNG CỤ, THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 3.1 Dụng cụ thiết bị thí nghiệm 3.2 Phương pháp thí nghiệm KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 10 4.1 Nhiệt lượng Q tổn thất nhiệt 10 4.2 tlog 11 4.3 Hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm Kl 12 4.4 Hệ số cấp nhiệt 1, 2 13 4.5 Kết tính tốn K1* K1 theo chế độ chảy 24 4.6 Đồ thị K1* K1 theo Re 26 BÀN LUẬN 34 PHỤ LỤC 36 6.1 Các thông số vật lý 36 6.2 Kích thước hình học đặc trưng loại ống 36 6.3 Tính nhiệt lượng Q: 36 6.4 Tính nhiệt độ logarit trung bình 37 6.5 Tính hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm Kl 37 6.6 Tính chuẩn số Re, 6.7 Tính hệ số cấp nhiệt 1, 2 37 tt , t2, tv1, tv2, tvtb 37 lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị 6.8 Truyền nhiệt ống lồng ống Tính hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết K1* 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống TRÍCH YẾU Mục đích thí nghiệm 1.1 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 dịng lạnh, nóng, qua - vách kim loại, chế độ chảy khác Thiết lập cân nhiệt lượng 1.2 Phương pháp Khảo sát ống B ống C chế độ chảy khác tử tính tốn xác định hệ số truyền nhiệt hai dịng lạnh nóng, cụ thể sau: - Với loại ống, ta làm thí nghiệm với nhiều giá trị lưu lượng dịng nóng - Ứng với giá trị dịng nóng ta đo giá trị dòng lạnh - Đọc nhiệt độ dòng ra, dòng vào ứng với trường hợp cụ thể Kết thí nghiệm (Số liệu thơ) 1.3 Ký hiệu: dịng nóng, dịng lạnh Bảng 1.1: Số liệu thí nghiệm cho ống B Lưu lượng dịng nóng 0.2 0.24 0.3 0.39 (ft3/ph) Lưu lượng dòng lạnh tV1 tR1 tV2 tR2 tV1 tR1 tV2 tR2 tV1 tR1 tV2 tR2 tV1 tR1 tV2 tR2 0.2 89 73 33 37 91 77 34 39 91 80 36 41 91 81 38 43 0.3 90 73 31 35 91 77 33 37 91 79 35 39 91 81 37 40 0.4 91 72 30 33 92 77 32 36 92 79 34 38 91 80 36 39 0.5 91 73 30 32 92 77 32 35 92 79 34 37 92 80 35 38 (ft3/ph) Bảng 1.2: Số liệu thí nghiệm ống C Lưu lượng dịng nóng 0.2 0.24 0.3 0.34 (ft3/ph) Lưu lượng dòng lạnh tV1 tR1 tV2 tR2 tV1 tR1 tV2 (ft3/ph) tR2 tV1 tR1 tV2 tR2 tV1 tR1 tV2 tR2 lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống 0.2 78 69 31 34 84 76 34 38 86 80 36 41 88 82 39 44 0.3 80 70 30 34 85 76 33 36 87 80 35 39 88 82 37 41 0.4 82 71 30 33 86 77 33 35 88 80 34 38 89 82 36 40 0.5 83 72 29 33 87 78 32 35 89 80 34 37 89 82 36 40 Nhận xét kết 1.4 Hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm K1 nhỏ hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết K1* tổn thất nhiệt sai số xảy q trình thí nghiệm LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM Các phương thức truyền nhiệt bản: - Dẫn nhiệt: q trình truyền nhiệt có tiếp xúc trực tiếp vật vật có nhiệt độ khác Đặc trưng hệ số dẫn nhiệt (đơn vị 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 (hay hệ số tỏa nhiệt) (đơn vị 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 dịng nóng đến vách, dẫn nhiệt qua thành ống kim loại đối lưu nhiệt dòng lạnh với thành ống 2.1 Phương trình cân nhịêt lượng cho hai dịng lưu chất Q = G1C1(tV1 – tR1) = G2C2(tR2 – tV2) , W Trong :  G1, G2 : lưu lượng dịng nóng lạnh, kg/s  C1, C2 : nhiệt dung riêng trung bình dịng nóng dịng lạnh, J/kg.K  tV1, tR1 : nhiệt độ vào dịng nóng, 0C  tV2, tR2 : nhiệt độ vào dòng lạnh, 0C 2.2 Phương trình biểu diễn trình truyền nhiệt Q = Kl.tlog.L lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống Trong đó:  L : Chiều dài ống, m  Kl : Hệ số truyền nhiệt dài, W/m.K  tlog : Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit, K 2.3 Độ chênh lệch nhịêt độ trung bình logarit t log  2.4 t L  t N t ln L t N Hệ số truyền nhiệt lí thuyết, K*1 K l*   r 1 d ng ln    b 1d tr 2 d tr  d ng d b Trong đó:  dng, dtr : Đường kính ngồi ống truyền nhiệt, m  : Hệ số dẫn nhiệt ống, W/m.K  rb : Nhiệt trở lớp cáu  db : Đường kính lớp cáu, m 2.5 Hệ số cấp nhiệt 1, 2 vách ngăn dòng lưu chất  Pr   Nu  A Re Pr  Pr  t m n , 25  l  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…) 2.6 Chế độ chảy lưu chất đặc trưng chuẩn số Re Re  w.l  Trong đó:  w: Vận tốc dòng, m/s  : Độ nhớt động học lưu chất, m2/s  l: Kích thước hình học đặc trưng, m Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống Trường hợp lưu chất chuyển động qua tiết diện khơng trịn, l tính đường kính tương đương dtd d td  4F  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 Thông số  xác định nhiệt độ trung bình lưu chất 2.7 Chuẩn số Nu Phương thức chảy ngang (ống kiểu B) < Re < 10 Nu  0.5 Re 10 ≤ Re 104 Nu  0.021 Re Pr 0.8 0.43  Pr   Prv    , 25  l Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống Giá trị 1 phụ thuộc tỉ lệ l/d Re 104, 1 phụ thuộc vào Re: Re L/d 10 20 30 40 50 1.104 1.23 1.13 1.07 1.03 2.104 1.18 1.10 1.05 1.02 5.104 1.13 1.08 1.04 1.02 1.105 1.10 1.06 1.03 1.02 1.106 1.05 1.03 1.02 1.01 Chuẩn số Pr: Pr   a Trong đó:  ν: Độ nhớt động học lưu chất, m2/s  a : Hệ số dẫn nhiệt lưu chất, m2/s Chuẩn số Gr: Gr  g.l  t 2 Trong đó:  ∆t: 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 Do nhiệt độ thành ống (vách) không biết, việc tính tốn thực theo trình tự sau: t1 = t1 – tv1 t2 = tv2 – t2 Ta thực phép tính lặp Khởi điểm ta chọn gần hiệu số nhiệt độ lưu chất vách ngăn sau: Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống t1 Re ~ t Re Hiệu số nhiệt độ log biểu diễn sau: tlog  1   C  t1  t Từ tính được: t1  tlog  (1  2) tlog  (1  2) t  Re Re 1 1 Re Re1 Từ ta tính nhiệt độ trung bình lưu chất vách ngăn, tính  Nu. , W/m2K l Pr Prv Nu 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.t log  1 t1   t Suy ra: t  K t log t  1 K t log 2 Sai số cho phép 5% chưa đạt, q trình tính lặp lại với giá trị t1, t2 t1 Δt1 ΔtV Δt2 tV1 tV2 Δtlog t2 Hình 2.1: Sơ đồ phân bố nhiệt độ truyền nhiệt lưu chất qua vách ngăn Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống DỤNG CỤ, THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Dụng cụ thiết bị thí nghiệm 3.1 Hệ thống thiết bị thí nghiệm 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 ngồi ống Hai dịng chảy có phương vng góc với - Kiểu C : Loại ống lồng ống đơn giản, lưu chất chảy dọc bề mặt ngồi ống Hai dịng chảy có phương song song với - Kích thước ống Đường kính (mm) Kiểu ống 3.2 Chiều dài (mm) Ống Ống B 14/16 26/28 925 C 14/16 26/28 1000 Phương pháp thí nghiệm Tiến trình thí nghiệm: - Cấp nước đầy vào nồi đun, đóng điện trở để đun nước - Tìm hiểu đường dịng nóng dịng lạnh Cách sử dụng van : van I, van II… - Điều chỉnh lưu lượng dòng nóng vào ống van (van hồi lưu) mức (ft3/ph): 0.39; 0.3; 0.24; 0.2 - Ứng với mức lưu lượng dòng lạnh ta điều chỉnh van lưu lượng dòng lạnh vào ống mức (ft3/ph): 0.2; 0.3; 0.4; 0.5 - Điểu chỉnh van II để lần lựơt đo lưu lượng dịng nóng dịng lạnh - Tiến hành đo nhiệt độ đầu vào, đầu dòng lạnh (t2V, t2R), nhiệt độ đầu vào, đầu dịng nóng (t1V, t1R), chế độ thí nghiệm q trình ổn định hồn tồn Dịng nóng đo liên tục hòan lưu liên tục để tránh tổn thất nhiệt - Ở thí nghiệm tiến hành chế độ dịng nóng dịng lạnh chảy ngược chiều Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Q trình & Thiết bị 4.5 Truyền nhiệt ống lồng ống 3,00 198 127 9586 7964 240 2,85 229 73 11096 4660 203 2,91 228 93 11044 5912 228 2,92 228 111 11029 7017 246 2,92 228 127 11026 8020 260 Kết tính tốn K1* K1 theo chế độ chảy Bảng 4.25: Kết tính tốn K1 K1* theo chế độ chảy ống B Lưu lượng Lưu lượng dịng nóng dịng lạnh (ft3/phút) (ft3/phút) 0.2 0.3 0.4 0.5 K1 K1* (W/m.K) (W/m.K) 3893 37 152 36853 5611 53 166 0.4 49974 7267 51 176 0.5 62824 8998 42 183 0.2 23902 4016 45 174 0.3 36853 5840 52 193 0.4 49692 7631 67 206 0.5 62824 9444 63 216 0.2 23902 4193 45 190 0.3 37060 6088 53 213 0.4 49974 7948 69 229 0.5 62468 9833 64 241 0.2 24032 4370 47 203 0.3 37060 6289 40 228 0.4 49974 8205 53 246 0.5 62824 10040 64 260 Re1 Re2 0.2 23773 0.3 24 Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống Bảng 4.26: Kết tính tốn K1 K1* theo chế độ chảy ống C Lưu lượng Lưu lượng dịng nóng dịng lạnh (ft3/phút) (ft3/phút) 0.2 0.3 0.4 0.5 K1 K1* (W/m.K) (W/m.K) 3704 31 149 22011 5503 59 164 0.4 22443 7267 57 174 0.5 22740 8998 91 181 0.2 35278 3974 39 173 0.3 35467 5781 42 192 0.4 35853 7631 36 205 0.5 36246 9444 65 215 0.2 48595 4193 48 190 0.3 48865 6088 55 212 0.4 49137 7948 71 228 0.5 49413 9833 65 240 0.2 62115 4440 49 203 0.3 62115 6359 55 228 0.4 62468 8294 71 246 0.5 62468 10368 89 260 Re1 Re2 0.2 21596 0.3 25 Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống Đồ thị K1* K1 theo Re 4.6 4.6.1 Ống B 200 y = -6E-07x2 + 0,0136x + 108,36 R² = 0,9996 180 160 140 K 120 100 y = 3E-10x3 - 8E-06x2 + 0,0662x - 113,71 R² = 80 60 40 20 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Re K1 K1* K1 K1* Đồ thị 4.1: Đồ thị K1* K1 theo Re2 lưu lượng dịng nóng 0.2 ft3/ph 250 y = -7E-07x2 + 0,0168x + 118,16 R² = 0,9998 200 150 K y = -8E-10x3 + 2E-05x2 - 0,0878x + 202,04 R² = 100 50 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Re K1 K1* K1 K1* Đồ thị 4.2: Đồ thị K1* K1 theo Re2 lưu lượng dịng nóng 0.3 ft3/ph 26 Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) 10000 lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống 300 y = -7E-07x2 + 0,0192x + 123,05 R² = 0,9998 250 K 200 150 y = -7E-10x3 + 1E-05x2 - 0,0842x + 201,4 R² = 100 50 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Re K1 K1* K1 K1* Đồ thị 4.3: Đồ thị K1* K1 theo Re2 lưu lượng dịng nóng 0.40 ft3/ph 300 y = -8E-07x2 + 0,0212x + 125,05 R² = 0,9995 250 K 200 150 y = -5E-10x3 + 1E-05x2 - 0,0873x + 242,93 R² = 100 50 0 2000 4000 6000 8000 10000 Re K1 K1* K1 K1* Đồ thị 4.4: Đồ thị K1* K1 theo Re2 lưu lượng dịng nóng 0.50 ft3/ph 27 Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) 12000 lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống 250 y = -1E-08x2 + 0,0025x + 100,46 R² = 0,9997 200 K 150 y = 6E-13x3 - 9E-08x2 + 0,0043x - 22,952 R² = 100 50 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 Re K1 K1* K1 K1* Đồ thị 4.5: Đồ thị K1* K1 theo Re1 lưu lượng dòng lạnh 0.20 ft3/ph 250 y = -2E-08x2 + 0,0031x + 102,33 R² = 0,9999 200 K 150 y = -1E-12x3 + 1E-07x2 - 0,005x + 110,18 R² = 100 50 0 10000 20000 30000 40000 50000 K1 K1* 60000 Re K1 K1* Đồ thị 4.6: Đồ thị K1* K1 theo Re1 lưu lượng dòng lạnh 0.30 ft3/ph 28 Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) 70000 lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống 300 y = -2E-08x2 + 0,0034x + 105,22 R² = 0,9999 250 K 200 150 y = -3E-13x3 - 2E-08x2 + 0,0029x - 4,9043 R² = 100 50 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 Re K1 K1* K1 K1* Đồ thị 4.7: Đồ thị K1* K1 theo Re1 lưu lượng dòng lạnh 0.40 ft3/ph 300 y = -2E-08x2 + 0,0037x + 105,12 R² = 0,9999 250 K 200 150 y = 1E-12x3 - 2E-07x2 + 0,0108x - 112,35 R² = 100 50 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Re K1 K1* K1 K1* Đồ thị 4.8: Đồ thị K1* K1 theo Re1 lưu lượng dòng lạnh 0.50 ft3/ph 29 Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) 70000 lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống 4.6.2 Ống C 200 y = -6E-07x2 + 0,0133x + 108,02 R² = 0,9998 180 160 140 K 120 100 y = 2E-09x3 - 4E-05x2 + 0,2408x - 431,98 R² = 80 60 40 20 0 2000 4000 6000 8000 10000 Re K1 K1* K1 K1* Đồ thị 4.9: Đồ thị K1* K1 theo Re2 lưu lượng dịng nóng 0.2 ft3/ph 250 y = -7E-07x2 + 0,0168x + 117,06 R² = 0,9997 200 K 150 100 y = 1E-09x3 - 2E-05x2 + 0,1311x - 208,1 R² = 50 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Re K1 K1* K1 K1* Đồ thị 4.10: Đồ thị K1* K1 theo Re2 lưu lượng dịng nóng 0.3 ft3/ph 30 Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) 10000 lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị 300 Truyền nhiệt ống lồng ống y = -7E-07x2 + 0,0193x + 121,93 R² = 0,9997 250 K 200 150 100 y = -8E-10x3 + 2E-05x2 - 0,0931x + 222,9 R² = 50 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Re K1 K1* K1 K1* Đồ thị 4.11: Đồ thị K1* K1 theo Re2 lưu lượng dịng nóng 0.40 ft3/ph 300 y = -8E-07x2 + 0,0217x + 122,47 R² = 0,9998 250 K 200 150 y = -2E-10x3 + 5E-06x2 - 0,0341x + 116,49 R² = 100 50 0 2000 4000 6000 8000 10000 Re K1 K1* K1 K1* Đồ thị 4.12: Đồ thị K1* K1 theo Re2 lưu lượng dịng nóng 0.50 ft3/ph 31 Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) 12000 lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống 250 y = -1E-08x2 + 0,0025x + 102,09 R² = 0,9998 200 K 150 100 y = -7E-13x3 + 8E-08x2 - 0,0021x + 48,067 R² = 50 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 Re K1 K1* K1 K1* Đồ thị 4.13: Đồ thị K1* K1 theo Re1 lưu lượng dòng lạnh 0.20 ft3/ph 250 y = -2E-08x2 + 0,003x + 106,47 R² = 0,9999 200 K 150 100 y = -3E-12x3 + 4E-07x2 - 0,0171x + 270,45 R² = 50 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Re K1 K1* K1 K1* Đồ thị 4.14: Đồ thị K1* K1 theo Re1 lưu lượng dòng lạnh 0.30 ft3/ph 32 Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) 70000 lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống 300 y = -2E-08x2 + 0,0033x + 108,62 R² = 0,9998 250 K 200 150 100 y = -6E-12x3 + 8E-07x2 - 0,034x + 468,88 R² = 50 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 Re K1 K1* K1 K1* Đồ thị 4.15: Đồ thị K1* K1 theo Re1 lưu lượng dòng lạnh 0.40 ft3/ph 300 y = -2E-08x2 + 0,0036x + 110 R² = 0,9999 250 K 200 150 y = -6E-14x3 + 8E-08x2 - 0,0065x + 199,08 R² = 100 50 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Re K1 K1* K1 K1* Đồ thị 4.16: Đồ thị K1* K1 theo Re2 lưu lượng dòng lạnh 0.50 ft3/ph 33 Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) 70000 lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống BÀN LUẬN Câu 1: Tổn thất nhiệt có đáng kể khơng Tại sao? Từ kết tính tốn, ta thấy tổn thất nhiệt lớn, tổn thất nhiệt ống B nhìn chung cao tổn thất nhiệt ống C Nguyên nhân: - Tổn thất nhiệt nhiệt dòng lưu chất mơi trường ngồi, thấy lớp cách nhiệt thiết bị không đựơc tốt - Nhiệt khơng bị mát mơi trường ngồi mà cịn làm nóng vách kim loại, làm nóng cặn bẩn có ống - Ngồi lưu lượng lưu chất không ổn định gây ổn định trình truyền nhiệt - Sự mát nhiệt theo chiều dài ống, đờng ống dài, nhiệt thất thoát nhiều - Ống B tổn thất nhiệt nhiều ống C dòng lưu chất ống B tiếp xúc với theo phương ngang làm giảm thời gian tiếp xúc hai dòng hai dòng chảy song song ống C Mặc khác, tượng rị rỉ đường ống B thí nghiệm Câu 2: Mức độ sai số, nguyên nhân gây sai số lúc thí nghiệm? Biện pháp khắc phục? Mức độ sai số lớn (5%) Có hai loại sai số: sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên Sai số ngẫu nhiên yếu tố ngẫu nhiên hồn tồn khơng thể khắc phục được, ta đánh giá cách lặp lại thí nghiệm nhiều lần Sai số hệ thống phương tiện đo không chuẩn xác hay phương pháp đo khơng xác loại sai số co thể khắc phục Các nguyên nhân gây sai số là: - Lưu lượng dòng nóng dịng lạnh vào hai ống khơng ổn định khơng thể đảm bảo vận tốc vào khơng đổi suốt q trình thí nghiệm - Các giá trị đo nhiệt độ không tiến hành đo thời điểm, gây sai lệch tính tốn - Dịng nóng hồn lưu liên tục làm nhiệt độ dịng vào khơng ổn định - Các giá trị đo nhiệt độ cao tổn thất nhiệt lớn gây sai số - Các ống thiết bị cách nhiệt khơng tốt - Các ống bị rị rỉ - Ngoài giá trị nhiệt độ bảng đọc không ổn định mà biến thiên khoảng định sai số chủ quan người đọc tránh khỏi - Sai số thiết bị đo lưu lượng thiết bị đo nhiệt độ (sai số hệ thống) - Thí nghiệm tiến hành lần nên kiểm chứng mức độ lặp lại kết 34 Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Q trình & Thiết bị - Truyền nhiệt ống lồng ống Do thao tác người tiến hành thí nghiệm: Khi điều chỉnh van II khơng xác, dịng chảy khơng đổi hướng tồn phần mà bị hịa phần vào dịng lạnh - Các sai số việc tra số liệu, quy tròn số liệu phần ảnh hưởng đến kết tính tốn Ngịai ra, thơng số nhiệt độ dùng để tính tóan ta dùng nhiệt độ trung bình nên kết khơng xác Biện pháp khắc phục: Cách nhiệt ống kim lọai tốt, sửa chữa đọan ống bị rị rỉ - - Thí nghiệm nhiệt độ lưu chất không cao, đảm bảo cho dịng lưu chất tinh khiết - Tiến hành thí nghiệm, đọc kết nhiệt độ thật nhanh để tránh sai số - Thí nghiệm nên tiến hành lặp lại nhiều lần Câu 3: So sánh hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm K1 với hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết K1* Từ đồ thị cho ta thấy mối quan hệ giá trị Kl K1* chế độ chảy sau: chế độ chảy K1* > Kl K1* ống B ống C biến thiên cách đặn theo chế độ chảy Cịn Kl biến thiên không điều đặn, lúc nhanh, lúc chậm theo chế độ chảy Ở ống C, Kl lúc tăng lúc giảm theo trường hợp lưu lượng khác nhau, khoảng biến thiên K1 lớn Còn ống B, K1 có lúc tăng lúc giảm khoảng biến thiên ống C Điều chứng tỏ truyền nhiệt bị ảnh hưởng nhiều yếu tố ngòai nguyên nhân tổn thất nhiệt lớn cịn lớp cặn bẩn, nhiệt bên ngồi truyền vào…, tính toán K1* ta bỏ qua bề dày lớp cặn bẩn thành ống truyền nhiệt khơng thể xác định được, dẫn đến sai lệch lớn Kl thực tế K1* lý thuyết 35 Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống PHỤ LỤC Các thông số vật lý 6.1 Các giá trị  (kg/m3), CP (kJ/kg.K),  (W/m.K),  (m2/s), Pr lưu chất (ở dây dùng nước) tra từ “Bảng tra cứu trình học truyền nhiệt – truyền khối” theo nhiệt độ trung bình dịng Kích thước hình học đặc trưng loại ống 6.2 Lưu chất chuyển động qua tiết diện tròn: dtđ = dtr Lưu chất chuyển động qua tiết diện khơng trịn, dtđ tính theo cơng thức: dtđ  4F  Ống B: Dòng lạnh: F = 0.925x(0.026 – 0.016) = 9.25x10-3 (m2) dtđ = d1ng = 0.016 (m) Dịng nóng: F  0.0142  1.54x10  (m ) dtđ = d1tr = 0.014 (m) Ống C: Dòng lạnh: F   (0.0262  0.0162 )  3.3x10 (m ) dtđ = d2tr – d1ng = 0.026 - 0.016 = 0.010 (m) Dịng nóng: F  0.0142  1.54x10  (m ) dtđ = d1tr = 0.014 (m) 6.3 Tính nhiệt lượng Q: Nhiệt lượng QN dịng nóng truyền cho dịng lạnh nhiệt lượng QL dòng lạnh nhận được tính theo cơng thức: Q = G.C.(tv – tr) Thực tế dịng lạnh khơng nhận tồn nhiệt lượng dịng nóng truyền qua mà có phần nhiệt bị mát, ta có cân nhiệt lượng: G1C1(tv1- tr1) = G2C2(tr2 – tv2) + Q 36 Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống Từ phương trình cân nhiệt trên, ta tính lượng nhiệt mát: Q = Q1 – Q2 Tính nhiệt độ logarit trung bình 6.4 t log  t L  t N t log L t N Với:  tL= tV1 – tR2  tN = tR1 – tV2 6.5 Tính hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm Kl Q = Kl.tlog.L Ta dùng lượng nhiệt lượng Q2 dòng lạnh nhận dịng nóng làm giá trị để tính tốn Kl nhiệt lượng dịng lạnh nhận từ dịng nóng mát nhiệt lượng dịng nóng cung cấp nên giảm sai số 6.6 Tính chuẩn số Re, tt, t2, tv1, tv2, tvtb Đã trình bày rõ mục 2.7 6.7 Tính hệ số cấp nhiệt 1, 2 Hệ số cấp nhiệt  tính thơng qua cơng thức:  Nu. l Hệ số Nu tính theo cơng thức khác nhau, tùy theo chế độ chảy (đã trình bày phần sở lý thuyết): Phương thức chảy ngang ống (dòng lạnh ống kiểu B): Theo kết tính tốn chuẩn số Re, Re dịng lạnh ống B nằm khoảng giá trị 103 Re< 2.105 nên sử dụng công thức sau: Nu  0,25 Re 0, Pr , 38  Pr     Prv  , 25 Chế độ chảy dọc theo thân ống (dòng lạnh ống kiểu C tồn dịng nóng hai kiểu ống) Theo kết tính tốn chuẩn số Re cho dịng lạnh ống C tồn dịng nóng hai kiểu ống, Re nằm khoảng giá trị Re > 104 nên sử dụng công thức sau: Nu  0,021 Re Pr ,8 , 43  Pr     Prv  , 25 Từ kết tính chuẩn số Nu có được, tra nước ta tính hệ số cấp nhiệt  cho dòng kiểu ống 37 Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com) lOMoARcPSD|17160101 Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống Chuẩn số Pr tra theo nhiệt độ trung bình dịng nóng dịng lạnh, chuẩn số Prvách tra theo nhiệt độ trung bình vách kim loại Nhiệt độ trung bình vách kim loại nhiệt độ trung bình dịng lạnh dịng nóng 6.8 Tính hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết K1* Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết loại ống tính theo cơng thức sau: K*   d ng r 1 ln    b  d tr 2 d tr  d ng d b Từ giá trị  chế độ chảy loại ống trên, lấy  = 384W/m.K cho ống truyền nhiệt làm đồng đỏ, ta tính giá trị K1* tương ứng Đối với thí nghiệm bỏ qua ảnh hưởng lớp cáu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tập thể CBGD Bộ mơn Máy – Thiết bị, Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị, ĐH Bách khoa TP.HCM, 2003 [2] Phạm Văn Bơn – Vũ Bá Minh – Hồng Minh Nam, Ví dụ tập – tập 10, ĐH Bách khoa TP.HCM [3] Nguyễn Bin cộng sự, Sổ tay Q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 1, NXB Khoa học – Kỹ thuật [4] Bảng tra cứu Quá trình học truyền nhiệt – truyền khối, ĐH Bách khoa TP.HCM, 2004 38 Downloaded by Free Games Android (vuchinhhp1@gmail.com)