Xác Định Dòng Nhiệt Tới Hạn Và Hệ Sốtrao Đổi Nhiệt Bề Mặt Khi Thay Đổi Nhiệt Lượngđốt Nóng Và Giữ Áp Suất Không Đổi.pdf

Untitled ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ KHOA NĂNG LƯỢNG NHIỆT ————————o0o———————— BÁO CÁO THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT Giảng viên hướng dẫn: ThS Phạm Văn Hậu Sinh viên thực hiện: Bùi Hoàng Tuấn MSSV: 20193951 Nhóm 6 - Thí nghiệm ngày 15/1/2022 Mã lớp: 709211 Hà Nội Downloaded by BINH NGUYEN (tailieuso.15@gmail.com) lOMoARcPSD|38590726 BÀI SỐ 1: XÁC ĐỊNH DÒNG NHIỆT TỚI HẠN VÀ HỆ SỐ TRAO ĐỔI NHIỆT BỀ MẶT KHI THAY ĐỔI NHIỆT LƯỢNG ĐỐT NÓNG VÀ GIỮ ÁP SUẤT KHÔNG ĐỔI I Thiết bị thí nghiệm • Mô hình trao đổi nhiệt khi sôi, model: HE154 • Môi chất R141b II Mục đích thí nghiệm Xác định dòng nhiệt tới hạn, hệ số trao đổi nhiệt bề mặt khi thay đổi nhiệt lượng đốt nóng và giữ nguyên áp suất III Tiến hành thí nghiệm 1 Cấp nhiệt vào ứng với công suất bộ gia nhiệt điện trở 80W, điều chỉnh lưu lượng nước sao cho áp suất hơi R141b giữ ở khoảng giá trị 1.15bar trong suốt quá trình thí nghiệm 2 Ghi lại các thông số công suất bộ gia nhiệt (Q), nhiệt độ bề mặt bộ gia nhiệt, nhiệt độ môi chất R141b 3 Tăng Q thêm 10W, điều chỉnh lưu lượng nước làm mát sao cho áp suất trong bình giữ nguyên 1.15bar Khi hệ thống ổn định, ghi lại các thông số như ở bước 2 4 Lặp lại quá trình tăng Q như trong bước 3, cho đến khi độ sôi chuyển từ sôi bọt sang sôi màng (Q đạt 260W) Khi hệ thống ổn định, ghi lại các thông số như ở bước 2 Quá trình tiến hành đến giá trị Q = 280W thì kết thúc Trong quá trình tiến hành tăng giá trị của Q, ghi chép lại số liệu như đã nêu ở bước 2 Đồng thời chú ý quan sát quá trình sôi của chất lỏng R141b, quá trình chuyển từ sôi bọt sang sôi màng của chất lỏng R141b để rút ra nhận xét • Diện tích bề mặt bộ gia nhiệt F = 13cm2 • Áp suất hơi ổn định trong khoảng 0.95bar Downloaded by BINH NGUYEN (tailieuso.15@gmail.com) lOMoARcPSD|38590726 IV Nhận xét và đồ thị biễu diễn 1 Giải thích tại sao nhiệt độ bề mặt bộ gia nhiệt bắt đầu tăng khi quá trình sôi thay đổi từ sôi bọt sang sôi màng? Nhiệt độ bề mặt bộ gia nhiệt bắt đầu tăng khi quá trình sôi thay đổi từ sôi bọt sang sôi màng là vì khi đó các bọt khí sinh ra càng nhiều, liên tục tạo thành lớp màng bao phủ trên bề mặt vật nóng, làm giảm diện tích tiếp xúc, làm cản trở sự trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn và chất lỏng Từ đó, nhiệt độ bề mặt bộ gia nhiệt ngày càng tăng lên 2.Quá trình sôi bọt ảnh hưởng đến quán trình truyền nhiệt như thế nào? Trả lời:  Chúng ta biết rằng hơi trong bọt mới sinh ra là hơi bão hoà có nhiệt độ bằng nhiệt độ vùng chất lỏng được quá nhiệt sát vách (tức bằng nhiệt độ bề mặt đốt nóng tT) Như vậy áp suất của hơi trong bọt hơi sinh ra ph sẽ được xác định theo nhiệt độ của bề mặt vách tT, còn áp suất của lớp chất lỏng bao quanh bọt hơi có thể xem gần đúng bằng áp suất của hơi bão hòa trên bề mặt thoáng và được xác định theo nhiệt độ bão hòa tbh Điều này chỉ cho phép khi chiều cao của mức chất lỏng trên bề mặt đun nóng không lớn lắm và khối chất lỏng đó được quá nhiệt so với nhiệt độ bão hòa  Các bọt hơi mới sinh ra nhận nhiệt từ bề mặt đun nóng qua lớp chất lỏng bao quanh bọt hơi, lớp chất lỏng này liên tục bay hơi vào trong bọt làm tăng dần kích thước của bọt hơi Theo mức độ lớn lên của bọt hơi, sức căng bề mặt bị giảm rất nhanh, do đó tốc độ lớn lên của bọt hơi tăng liên tục và càng làm tăng cường độ bay hơi trên bề mặt bọt hơi Độ chênh nhiệt độ ∆t càng tăng thì tốc độ lớn lên của bọt hơi càng tăng, khi áp suất tăng thì tốc độ lớn lên của bọt hơi sẽ chậm lại  Khi kích thước của bọt hơi đủ lớn, lực nâng tác dụng lên bọt hơi trở nên đáng kể, nó làm tách bọt hơi khỏi bề mặt đun nóng, tiếp ngay sau đấy một lượng chất lỏng khác lại vào choán chỗ mà bọt hơi trước đó vừa tách đi Lượng chất lỏng này cũng cần được quá nhiệt cho đến nhiệt độ cần thiết để tạo thành bọt hơi mới Thời gian kể từ thời điểm Downloaded by BINH NGUYEN (tailieuso.15@gmail.com) lOMoARcPSD|38590726 tách ly bọt hơi cũ đến thời điểm tách ly bọt mới kế tiếp trên cùng một vị trí của bề mặt đun nóng (tức trên cùng một tâm hóa hơi) được gọi là chu kỳ sản sinh bọt hơi (τ) 3 Từ số liệu thu thập được, tính toán dòng nhiệt q (kW/m2 ) và hệ số trao đổi nhiệt bề mặt ( kW/ m2 K) ST T Áp suất hơi Nhiệt độ bề mặt BGN T5( )℃ Nhiệt độ R141b lỏng T1( )℃ ∆T =T5 −T1(K) Công suất nhiệt cấp vào Q (W) Dòng nhiệt q=Q/F (kW/m2 ) α = q/∆T(kW/m2K) 1 1,15 53 35,7 17.3 80 61.53 3.55 2 1,15 54 35,7 18.3 90 69.23 3.78 3 1,15 55 35,7 19.3 100 76.92 3.98 4 1,15 56 35,7 20.3 110 84.61 4.16 5 1,15 56 36,3 19.7 120 92.31 4.68 6 1,15 57 36,3 20.7 130 100.00 4.83 7 1,15 58 36,2 21.8 140 107.69 4.93 8 1,15 58 36,2 21.8 150 115.38 5.29 9 1,15 59 36,2 22.8 160 123.07 5.39 10 1,15 59 35,9 23.1 170 130.76 5.66 11 1,15 60 36,2 23.8 180 138.46 5.81 12 1,15 61 35,7 25.3 190 146.15 5.77 13 1,15 62 36,1 25.9 200 153.84 5.93 14 1,15 62 36,1 25.9 210 161.53 6.23 15 1,15 62 36,0 26 220 169.23 6.51 16 1,15 63 35,8 27.2 230 176.92 6.51 17 1,15 64 36,1 27.9 240 184.61 6.61 18 1,15 64 36,1 27.9 250 192.31 6.89 Downloaded by BINH NGUYEN (tailieuso.15@gmail.com) lOMoARcPSD|38590726 19 1,15 65 36,3 28.7 260 200.00 6.96 20 1,15 65 36,3 28.7 270 207.69 7.23 21 1,15 65 36,3 28.7 280 215.38 7.51 4.Biểu diễn trên đồ thị q theo ∆T , theo ∆T 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 0 5 10 15 20 25 30 35 Bi u diễễn q theo ∆T ể q (kW/m2) ∆ T ( K ) 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 0 5 10 15 20 25 30 35 Bi u diễễn theo ∆T ể � α (kW/m2K) ∆ T (K ) BÀI SỐ 2: ĐO HỆ SỐ DẪN NHIỆT CỦA CÀ RỐT I Xử lí số liệu Downloaded by BINH NGUYEN (tailieuso.15@gmail.com) lOMoARcPSD|38590726 Time(s) Temp(oC) Time(s) Temp(oC) 0 21.23 150 28.59 5 24.2 155 28.73 10 25.12 160 28.75 15 25.63 165 28.78 20 25.97 170 28.84 25 26.24 175 28.8 30 26.49 180 28.87 35 26.63 185 29 40 26.81 190 28.89 45 27.03 195 29.05 50 27.24 200 29.08 55 27.26 205 29.02 60 27.42 210 29.19 65 27.5 215 29.19 70 27.55 220 29.23 75 27.75 225 29.27 80 27.8 230 29.23 85 27.8 235 29.27 90 27.92 240 29.39 95 28.02 245 29.45 100 28.09 250 29.48 105 28.15 255 29.52 110 28.2 260 29.55 115 28.25 265 29.58 120 28.27 270 29.6 125 28.39 275 29.66 130 28.45 280 29.65 135 28.45 285 29.76 Downloaded by BINH NGUYEN (tailieuso.15@gmail.com) lOMoARcPSD|38590726 140 28.51 290 29.67 145 28.55 295 29.78 Thermal Conductivity[W/mK] = 0.54 Heat Power[W/m] = 10.54 0 50 100 150 200 250 300 350 0 5 10 15 20 25 30 35 ĐỒỒ TH NHI T T(oC) THEO TH I GIAN τ(s) Ị Ệ Ờ τ(s) T (o C ) - Sử dụng nhiệt độ từ giai đoạn 2/3 cuối quá trình gia nhiệt từ τ=100 để tính ln(τ) Ln(τ) (s) Temp(oC) Ln(τ) (s) Temp(oC) 4.61 28.09 5.30 29.08 4.65 28.15 5.32 29.02 4.70 28.2 5.35 29.19 4.74 28.25 5.37 29.19 4.79 28.27 5.39 29.23 4.83 28.39 5.42 29.27 4.87 28.45 5.44 29.23 4.91 28.45 5.46 29.27 4.94 28.51 5.48 29.39 Downloaded by BINH NGUYEN (tailieuso.15@gmail.com) lOMoARcPSD|38590726 4.98 28.55 5.50 29.45 5.01 28.59 5.52 29.48 5.04 28.73 5.54 29.52 5.08 28.75 5.56 29.55 5.11 28.78 5.58 29.58 5.14 28.84 5.60 29.6 5.16 28.8 5.62 29.66 5.19 28.87 5.63 29.65 5.22 29 5.65 29.76 5.25 28.89 5.67 29.67 5.27 29.05 5.69 29.78 4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8 27 27.5 28 28.5 29 29.5 30  Tuyến tính đường thực nghiệm ta thu được phương trình liên hệ giữa T (temp) và ln(�) (time) là: t = 1.562203663 × ln(�) + 20.89578627 ( )℃ Downloaded by BINH NGUYEN (tailieuso.15@gmail.com) lOMoARcPSD|38590726 Từ đồ thị ta thu được hệ số góc C1 = 1.56 Thay vào công thức: λ = = = 0.537 (W/mK) II Tính toán hệ số dẫn nhiệt theo mô hình vuông góc và song song wo p f c fb a Tổng Nhiệt độ TB x(%) 87.97 1.03 0.19 10.14 3 0.87 28.2 k(W/mK) 0.62 0.21 0.173 0.237 0.216 0.367 ρ(m2/s) 994.28 1315.28 913.81 1590.35 1301.18 2415.89 x/ρ 0.088 0.00078 0.0002 1 0.0064 0.0023 0.00036 0.0980 5 0.9 0.0079 0.0021 0.065 0.023 0.0037 0.558 0.0016 0.0003 6 0.015 0.005 0.0014 0.5813 6 1.45 0.038 0.012 0.27 0.106 0.01 1.886 k( vuông góc) = = = 0.53 k( song song ) = = 0.58 III Nhận xét và kết luận - Kết quả thu được khi đo bằng máy λ = 0.54(W/mK) và kết quả tính toán theo phương pháp nguồn đường là λ = 0.537(W/mK) - Tính toán hệ số dẫn nhiệt của mẫu theo mô hình vuông góc và song song lần lượt là 0.53 (W/mK) và 0.58 (W/mK) - Từ đó ta thấy răng kết quả thực nghiệm và cơ sở lý thuyết là tương đối giống nhau Tuy nhiên vẫn còn sai số không đáng kể - Nguyên nhân gây ra sai số là trong quá trình đo thao tác chưa chuẩn và sai số do dụng cụ đo, Downloaded by BINH NGUYEN (tailieuso.15@gmail.com) lOMoARcPSD|38590726 BÀI SỐ 3: TĂNG CƯỜNG TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU I Thiết bị thí nghiệm Mô hình thiết bị trao đổi nhiệt HE350 II Mục đích thí nghiệm 1 Ghi giá trị nhiệt dộ môi trường và công suất điện cấp vào để đốt nóng vào bảng số nhiệu 2 Bật công tắc quạt chính, điều chỉnh núm vặn mở văn gió ở mức 2, lấy giá trị vận tốc gió khi đầu đo đặt ở 3 vị trí V4, V7, V10 trên tiết diện ngang của hộp, đợi cho nhiệt độ bề mặt đốt nóng ổn định, ghi lại giá trị nhiệt độ bề mặt đót nóng vào bảng số liệu 3 Bật công tắc quạt chính, điều chỉnh núm vặn mở van gió ở mức 4, lấy giá trị vận tốc gió khi đầu đo đặt ở 3 vị trí V4, V7, V10 trên tiết diện ngang của hộp, đợi cho nhiệt độ bề mặt đốt nóng ổn định, ghi lại giá trị nhiệt độ bề mặt đót nóng vào bảng số liệu 4 Bật công tắc quạt chính, điều chỉnh núm vặn mở van gió ở mức 6, lấy giá trị vận tốc gió khi đầu đo đặt ở 3 vị trí V4, V7, V10 trên tiết diện ngang của hộp, đợi cho nhiệt độ bề mặt đốt nóng ổn định, ghi lại giá trị nhiệt độ bề mặt đót nóng vào bảng số liệu III Kết quả thí nghiệm Nhiệt độ môi trường Ta( oC): 21.5 Công suất điện Q (W): 80 W TT Vận tốc gió (m/s) Nhiệt độ bề mặt, ∆T=- 1 3.5 4.7 3.5 3.9 49.9 28.4 2 4.0 5.6 4.0 4.5 49.3 27.8 Downloaded by BINH NGUYEN (tailieuso.15@gmail.com) lOMoARcPSD|38590726 3 4.5 6.4 4.5 5.1 48.1 26.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 5.2 25.5 26 26.5 27 27.5 28 28.5 29 Đồồ th bi u diễễn mồối quan h gi a v n tồốc gió và đ chễnh l ch nhi t đ bễồ m t đồốt nóng v i nhi t đ mồi tr ngị ể ệ ữ ậ ộ ệ ệ ộ ặ ớ ệ ộ ườ V(m/s) ∆ T (K ) IV Nhận xét • Nhiệt độ tại tâm là lớn nhất và giảm dần khi ra ngoài biên • Độ chênh lệch nhiệt độ của bề mặt đốt nóng với nhiệt độ môi trường tăng thì vận tốc gió của quạt giảm và ngược lại • Kết quả của thí nghiệm là kết quả gần đúng do ảnh hưởng của môi trường và sai số trong quá trình đo • Mối quan hệ giữa vận tốc và độ chênh lệch nhiệt độ bề mặt với nhiệt độ môi trường là một đường thẳng gần như tuyến tính • Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa ∆T và VTB là đường bậc nhất nên khi ∆T giảm thì VTB tăng và ngược lại Downloaded by BINH NGUYEN (tailieuso.15@gmail.com) lOMoARcPSD|38590726