Báo cáo thí nghiệm quá trình thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM BÁO CÁO THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG GVHD: TS Hồ Tấn Thành Nhóm SV thực hiện: Nhóm 01 (sáng thứ 4) Họ và tên MSSV Lê Huỳnh Anh 21128113 Võ Chí Cường 21128128 Phan Minh Diển 21128330 Âu Thiên Đẩu 21128332 Đoàn Ngọc Hân 21128146 Trần Vĩ Khang 21128159 Nguyễn Đắc Khoa 21128161 Tp Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2024 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 1 MỤC ĐÍCH 2 2 PHƯƠNG PHÁP 2 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2 3.1 Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho hai dòng lưu chất .2 3.2 Phương trình biểu diễn quá trình truyền nhiệt 3 3.3 Hiệu nhiệt độ trung bình logarit của hai lưu chất .3 3.4 Hệ số truyền nhiệt (trong tường ống) lý thuyết, KT* 3 3.5 Hệ số cấp nhiệt α1, α2 giữa tường ống và dòng lưu chất .3 4 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 4 5 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 5 5.1 Kết quả thí nghiệm thô 5 5.2 Tính toán 6 5.2.1 Ống kiểu C, dòng lưu chất song song cùng chiều .6 5.2.2 Ống kiểu C, dòng lưu chất song song ngược chiều 18 5.2.3 Ống kiểu B, dòng lưu chất có phương vuông góc .25 5.3 Đồ thị KT1, KT2 và KT* 32 5.3.1 Cùng chiều 32 5.3.2 Ngược chiều 34 5.3.3 Vuông góc .36 6 BÀN LUẬN 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG 1 MỤC ĐÍCH - Củng cố kiến thức lý thuyết về quá trình truyền nhiệt, cụ thể là truyền nhiệt ống lồng ống - Làm quen với cấu tạo, nguyên lý hoạt động, vận hành của thiết bị truyền thiệt ống lồng ống - Xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt giữa hai dòng nóng, lạnh và tường ống ở các chế độ chảy khác nhau - Thiết lập cân bằng nhiệt lượng 2 PHƯƠNG PHÁP - Khảo sát lần lượt các ống song song ngược chiều, song song cùng chiều và chéo nhau từ đó xác định hệ số truyền nhiệt giữa hai dòng nóng, lạnh - Ứng với mỗi giá trị lưu lượng dòng nóng ta lần lượt khảo xác từng giá trị của dòng lạnh để thu được các giá trị nhiệt độ đầu vào và ra của từng dòng nóng, lạnh tương ứng với mỗi ống khác nhau 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Quá trình truyền nhiệt trong thiết bị truyền nhiệt dạng ống lồng ống là một ví dụ của sự truyền nhiệt phức tạp Ở đây diễn ra sự trao đổi nhiệt giữa hai lưu chất được ngăn cách bởi vách ngăn kim loại hay tường ống Trong đó có sự đối lưu nhiệt ở dòng nóng cới mặt trong của tường ống, sự dẫn nhiệt qua tường ống và sự đối lưu nhiệt giữa dòng lạnh với mặt ngoài của tường ống 3.1 Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho hai dòng lưu chất Trường hợp bỏ qua sự tổn thất nhiệt ra môi trường bên ngoài, ta có phương trình cân bằng nhiệt như sau: Q = G1C1(tv1 –tR1) = G2C2 (tR2-tv2) , W Trong đó:  G1, G2 : lưu lượng dòng nóng và lạnh, kg/s  C1, C2 : nhiệt dung riêng trung bình của dòng nóng và dòng lạnh, J/kg.K  tv1, tR1 : nhiệt độ vào và ra của dòng nóng, ºC  tv2, tR2 : nhiệt độ vào và ra của dòng lạnh, ºC 3.2 Phương trình biểu diễn quá trình truyền nhiệt Q = KT 2πL tlog Trong đó:  L: chiều dài ống, m  tlog: hiệu nhiệt độ trung bình logarit của hai lưu chất, K  KT : hệ số truyền nhiệt trong tường ống, W/m.K 3.3 Hiệu nhiệt độ trung bình logarit của hai lưu chất tlog= Δttl− ΔttN ln Δttl Δtt N 3.4 Hệ số truyền nhiệt (trong tường ống) lý thuyết, KT* KT* = π 1 + 1 ln dng + 1 + r b α 1 dtr 2 λ dtr α 2 dng db Trong đó:  dng, dtr: đường kính ngoài và trong của ống truyền nhiệt, m  λ : hệ số dẫn nhiệt của ống, W/ ( m.K )  rb : nhiệt trở của lớp cặn bẩn., ( m2.K ) / W  db: đường kính lớp cặn bẩn, m  α1, α2 : hệ số cấp nhiệt, W/m °C 3.5 Hệ số cấp nhiệt α1, α2 giữa tường ống và dòng lưu chất ( ) Nu = A Rem Prn Pr 0 ,25 εl εR Prt A, m, n, εl , εR là các hệ số thực nghiệm, tùy thuộc vào các yếu tố sau:  Chế độ chảy của các dòng lưu chất  Sự tương quan giữa dòng chảy và bề mặt truyền nhiệt  Đặc điểm bề mặt truyền nhiệt (độ nhám, hình dạng…) 4 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM - Hệ thống thiết bị thí nghiệm có 2 kiểu ống: kiểu A có lưu chất chảy ngang mặt ngoài của ống trong và hai dòng chảy có phương vuông góc nhau, kiểu B có lưu chất chạy dọc bề mặt ngoài của ống trong và hai dòng chảy có phương song song - Kích thước ống: Bảng 4.1: Kích thước các kiểu ống truyền nhiệt Kiểu Đường kính (mm) Chiều dài ống Ống trong Ống ngoài (mm) A Đường kính ngoài 21, chiều Đường kính ngoài 34, chiều 1000 dày 1,2 dày 1,2 1000 B Đường kính ngoài 21, chiều Đường kính ngoài 34, chiều dày 1,2 dày 1,2 - Sơ đồ hệ thống truyền nhiệt ống lồng ống: Hình 4.1: Sơ đồ thí nghiệm hệ thống truyền nhiệt ống lồng ống Chú thích:  N: Nóng (12 điểm)  L: Lạnh (6 điểm)  S: Bề mặt (4 điểm)  I: Van đổi chiều chuyển động của dòng lạnh  II: Van đổi chiều chuyển động của dòng lạnh hoặc dòng nóng để đo lưu lượng  III, IV: Van đổi chiều để hoàn lưu nước nóng hoặc xả nước lạnh ra ngoài  T: Đồng hồ đo nhiệt độ  L: Đầu dò nhiệt độ  R: Điện trở 5 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 5.1 Kết quả thí nghiệm thô Bảng 5.1.1: Kết quả thực nghiệm nhiệt độ dòng nóng, lạnh đầu vào, đầu ra tương ứng với các giá trị lưu lượng cần khảo sát Loại ống Lưu lượng dòng 4 8 35 Ngược chiều nóng (l/ph) Cùng chiều dòng nóng dòng lạnh dòng nóng dòng lạnh dòng nóng dòng lạnh Lưu lượng dòng tv1 tr1 lạnh (l/ph) tv1 tr1 tv2 tr2 tr1 tv2 tr2 tv1 tv2 tr2 70,4 59, 68, 59,8 5 37, 3 31, 6 37, 69,9 58, 69, 60,4 10 72,1 60,9 31,6 3 3 7 38,3 4 7 45,8 70,1 58, 69, 59,8 15 35, 0 31, 0 34, 71,0 58, 68, 59,1 20 73,0 60,0 31,5 7 66,0 6 8 36,6 4 62,7 6 41,4 5 34, 60, 31, 64, 35, 71,7 58,9 31,6 9 8 35,9 3 41,1 34, 31, 36, 72,0 60,0 31,6 4 8 35,4 5 41,7 68,8 60,2 33,4 36, 31, 38,3 41, 44,7 7 89 8 1 35, 59, 32, 65, 42, 10 69,2 58,9 33,4 4 66,8 7 6 36,6 2 62,5 8 44,1 34, 58, 32, 65, 43, 15 69,8 58,8 33,5 8 66,6 9 9 35,9 0 63,3 5 45,0 34, 58, 33, 64, 43, 20 70,3 58,8 33,6 5 66,4 4 0 35,5 7 62,3 2 46,0 41, 64, 31, 74, 39, 5 70,0 62,8 31,1 5 77,8 8 5 38,8 3 67,8 0 46,5 39, 63, 31, 82, 43, Vuông góc 10 70,0 62,2 31,1 8 78,5 6 6 37,2 0 66,8 7 48,2 39, 60, 31, 84, 43, 15 69,7 61,6 31,1 2 80,9 0 7 36,4 0 66,3 5 47,6 39, 62, 31, 87, 42, 20 70,5 61,1 31,1 2 83,5 6 8 35,8 0 65,6 2 46,2 Bảng 5.1.2: Lưu lượng dòng nóng, lạnh cần khảo sát G1 (l/ph) G1 (m3/s) G2 (l/ph) G2 (m3/s) 4 0,000067 5 0,000083 8 0,000133 10 0,000167 35 0,000583 15 0,000250 20 0,000333 5 0,000083 10 0,000167 15 0,000250 20 0,000333 5 0,000083 10 0,000167 15 0,000250 20 0,000333 5.2 Tính toán 5.2.1 Ống kiểu C, dòng lưu chất song song cùng chiều Bảng 5.1.3 : Thông số dòng nóng ST G1 G2 t1V t1R t1TB ρ1 Cρ1 Cρ1 λ1 μ1 T (m3/s) (m3/s) (N.s/m2) Pr1 (oC) (oC) (oC) (kg/m3) (kcal/ (J/ (W/ kg.độ) kg.độ) m.độ) 1 0,00006 8,33E-05 72,1 60,2 66,1 979,88 0,9993 4183,92 0,6645 0,00043 2,71 7 5 0 6 2 1,67E-04 65,9 73,0 58,9 5 979,99 0,9993 4183,76 0,6644 0,00043 2,72 3 2,50E-04 65,2 71,7 58,8 5 980,37 0,9992 4183,20 0,6637 0,9992 4183,32 0,6639 2 4 4 3,33E-04 72,0 58,8 65,4 980,28 0,9988 4181,72 0,6621 0,9988 4181,60 0,6619 0,00043 2,75 5 8,33E-05 66,0 60,8 63,4 981,36 0,9987 4181,20 0,6615 6 0,00013 1,67E-04 63,2 66,8 59,7 5 981,45 0,9986 4180,92 0,6612 6 4 7 3 2,50E-04 62,7 66,6 58,9 5 981,72 0,9989 4182,00 0,6624 0,9989 4182,08 0,6625 0,00043 2,74 8 3,33E-04 66,4 58,4 62,4 981,90 0,9989 4182,32 0,6627 9 8,33E-05 63,7 64,8 62,7 5 981,18 0,9988 4181,80 0,6622 5 8 10 0,00058 1,67E-04 63,8 65,2 62,5 5 981,12 11 3 2,50E-04 64,1 65,0 63,3 5 980,96 0,00044 2,83 12 3,33E-04 64,7 62,3 63,5 981,31 8 4 0,00044 2,84 9 0 0,00045 2,86 2 2 0,00045 2,87 4 7 0,00044 2,81 6 9 0,00044 2,81 5 4 0,00044 2,80 3 2 0,00044 2,83 7 0 - Nhiệt độ trung bình: t TB= t V +tR 2 = 72,1+60.2 2 =66.15(° C ) Trong đó: tV : Nhiệt độ dòng vào, oC tR : Nhiệt độ dòng ra, oC - Khối lượng riêng ρ1 (kg/m3) nội suy theo bảng 15, trang 383, tài liệu tham khảo [ CITATION Ngu \l 1033 ] Tại t1TB = 66,15 oC ta có: 66,15−60 70−60 = ρ−983,2 977,8−983,2 → ρ1=979,88 (kg/m3) - Nhiệt dung riêng của dung dịch Cρ1 (J/kg.độ) nội suy theo bảng 15 trang 383, tài liệu tham khảo [ CITATION Ngu \l 1033 ] Tại t1TB = 66,15 oC ta có: 66,15−60 70−60 = Cp−4179 4187−4179 →C p1=4183,92 (J/kg.độ) - Hệ số dẫn nhiệt của ống λ1 (W/m.độ) nội suy theo bảng 15 trang 383, tài liệu tham khảo [ CITATION Ngu \l 1033 ] Tại t1TB = 66,15 oC ta có: 66,15−60 70−60 = λ1−0.659 0.668−0.659 → λ1=0,6645(W/m.độ) - Độ nhớt chất tải nhiệt μ1 (N.s/m2) nội suy theo bảng 15, trang 383, tài liệu tham khảo [ CITATION Ngu \l 1033 ] Tại t1TB = 66,15 oC ta có: 66,15−60 70−60 = μ1−0.0004694 0.0004061−0.0004694 → μ1=0,00043(N.s/m2) - Chuẩn số Pr: Pr= Cp × μ = 4183,92 ×0,00043 =2,716 λ 0,6645 Trong đó: Cp : Nhiệt dung riêng đẳng áp của chất tải nhiệt, J/kg.độ µ : Độ nhớt của chất tải nhiệt, N.s/m2 λ : Hệ số dẫn nhiệt, W/m2.độ Bảng 5.1.4 : Thông số dòng lạnh ST G1 G2 t2V t2R t2TB ρ2 Cρ2 Cρ2 λ2 μ2 Pr2 (m3/s) (oC) (oC) (oC) (kg/m3) (kcal/kg.độ) (J/kg.độ) (W/m.độ) (N.s/m2) T (m3/s) 1 8,33E-05 33,4 36,7 35,05 993,93 0,99696 4174 0,6266 0,00073 4,859 23 6,67E-05 1,67E-04 33,4 35,4 34,40 994,16 2,50E-04 33,5 34,8 34,15 994,25 0,99696 4174 0,6255 0,00074 4,932 0,99696 4174 0,6251 0,00074 4,959 4 3,33E-04 33,6 34,5 34,05 994,28 0,99696 4174 0,6249 0,00074 4,970 5 8,33E-05 31,9 38,3 35,10 993,92 0,99696 4174 0,6267 0,00073 4,854 67 1,33E-04 1,67E-04 32,6 36,6 34,60 994,09 2,50E-04 32,9 35,9 34,40 994,16 0,99696 4174 0,6258 0,00073 4,909 0,99696 4174 0,6255 0,00074 4,932 8 3,33E-04 33,0 35,5 34,25 994,21 0,99696 4174 0,6252 0,00074 4,948 9 8,33E-05 41,1 44,7 42,90 994,23 0,99696 4174 0,6388 0,00062 4,087 1011 5,83E-04 1,67E-04 42,8 44,1 43,45 994,50 2,50E-04 43,5 45,0 44,25 994,60 0,99696 4174 0,6395 0,00062 4,044 0,99696 4174 0,6405 0,00061 3,983 12 3,33E-04 43,2 46,0 44,60 994,64 0,99696 4174 0,6410 0,00061 3,956 Bảng 5.1.5 : Tính nhiệt lượng Q và tổn thất nhiệt ΔQQ T (m3/s) (kg/s) (m3 ST G1 G1 G2 G2 Cρ1 /s) (kg/s) (J/kg.độ) t1V - t1R Cρ2 (J/kg.độ) t2V - t2R Q1 Q2 ΔQ Q (W) (W) (W) 1 0,065 3 8,33E-05 8,28E-02 4183,92 11,9 4174 3,3 3252,46 1140,8 9 2111,57 2 0,065 3 1,67E-04 1,66E-01 4183,76 14,1 4174 2,0 3854,03 1383,2 1 2470,82 6,67E-05 0,065 1,3 3526,91 1348,7 5 2178,17 3 4 2,50E-04 2,49E-01 4183,20 12,9 4174 4 0,065 4 3,33E-04 3,31E-01 4183,32 13,2 4174 0,9 3608,74 1245,0 4 2363,70 5 0,130 8 8,33E-05 8,28E-02 4181,72 5,2 4174 6,4 2845,29 2212,5 9 632,71 6 0,130 9 1,67E-04 1,66E-01 4181,60 7,1 4174 4,0 3885,13 2766,2 2 1118,91 1,33E-04 0,130 3112,2 7 9 2,50E-04 2,49E-01 4181,20 7,7 4174 3,0 4214,21 2 1101,99 8 0,130 9 3,33E-04 3,31E-01 4180,92 8,0 4174 2,5 4378,95 3458,2 0 920,74 9 0,572 4 8,33E-05 8,29E-02 4182,00 2,1 4174 3,6 5026,51 1244,9 7 3781,54 10 0,572 3 1,67E-04 1,66E-01 4182,08 2,7 4174 1,3 6462,42 899,39 5563,04 5,83E-04 0,572 1556,8 11 2 2,50E-04 2,49E-01 4182,32 1,7 4174 1,5 4068,50 0 2511,70 12 0,572 4 3,33E-04 3,32E-01 4181,80 2,4 4174 2,8 5745,10 3874,8 5 1870,25 - Lưu lượng dòng nóng, lạnh G (kg/s) = G (m3/s) ρ (kg/m3) - Nhiệt lượng dòng nóng: Q1=G1 C p1 (t v 1−t R1)=0,0653 4183,92 11,9=3252,46(W ) - Nhiệt lượng dòng lạnh: Q2=G2 C p2 (t v 2−t R 2)=0,0828 4174 3,3=1140,89(W ) Trong đó: G1, G2 : lưu lượng dòng nóng và lạnh, kg/s Cp1, Cp2 : nhiệt dung riêng trung bình của dòng nóng và dòng lạnh, J/kg.K tv1, tR1 : nhiệt độ vào và ra của dòng nóng, ºC tv2, tR2 : nhiệt độ vào và ra của dòng lạnh, ºC - Tổn thất nhiêt: ∆ Q=Q1−Q2=3252,46−1140,89=2111,57(W )