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

Trong đó có sự đối lưu nhiệt ở dòng nóng cới mặt trongcủa tường ống, sự dẫn nhiệt qua tường ống và sự đối lưu nhiệt giữa dòng lạnh với mặt ngoàicủa tường ống... Hiệu nhiệt độ trung bình

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)

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, K T * 3

3.5 Hệ số cấp nhiệt α 1 , α 2 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 K T1 , K T2 và K T * 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

- 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 vớimỗi 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 sựtruyền nhiệt phức tạp Ở đây diễn ra sự trao đổi nhiệt giữa hai lưu chất được ngăn cách bởivách ngăn kim loại hay tường ống Trong đó có sự đối lưu nhiệt ở dòng nóng cới mặt trongcủa tường ống, sự dẫn nhiệt qua tường ống và sự đối lưu nhiệt giữa dòng lạnh với mặt ngoàicủa 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 cânbằng nhiệt như sau:

Q = G1C1(tv1 –tR1) = G2C2 (tR2-tv2) , WTrong 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

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 củaống 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

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

72,0 58,8 65,4 980,28 0,9992 4183,32 0,6639 0,00043

5

2,7485

2,840

2,862

66,4 58,4 62,4 981,90 0,9986 4180,92 0,6612 0,000454 2,8779

2,814

2,802

- 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 p 1=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 =

λ1−0.6590.668−0.659→ 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 =

μ1−0.00046940.0004061−0.0004694→ μ1=0,00043(N.s/m2)

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

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 )

1 6,67E-05 0,00027 0,245 4,39E-07 10388,07 8,33E-05 0,00044 0,19 7,31E-07 2759,11

2 6,67E-05 0,00027 0,245 4,41E-07 10358,75 1,67E-04 0,00044 0,38 7,41E-07 5447,28

3 6,67E-05 0,00027 0,245 4,45E-07 10257,47 2,50E-04 0,00044 0,57 7,44E-07 8130,72

4 6,67E-05 0,00027 0,245 4,44E-07 10279,00 3,33E-04 0,00044 0,76 7,46E-07 10819,67

5 1,33E-04 0,00027 0,491 4,56E-07 19998,91 8,33E-05 0,00044 0,19 7,30E-07 2761,88

6 1,33E-04 0,00027 0,491 4,57E-07 19958,25 1,67E-04 0,00044 0,38 7,38E-07 5468,91

7 1,33E-04 0,00027 0,491 4,60E-07 19823,95 2,50E-04 0,00044 0,57 7,41E-07 8170,91

8 1,33E-04 0,00027 0,491 4,63E-07 19731,05 3,33E-04 0,00044 0,76 7,43E-07 10862,33

9 5,83E-04 0,00027 2,147 4,54E-07 87913,25 8,33E-05 0,00044 0,19 6,27E-07 3218,28

10 5,83E-04 0,00027 2,147 4,54E-07 88033,45 1,67E-04 0,00044 0,38 6,21E-07 6497,87

11 5,83E-04 0,00027 2,147 4,52E-07 88396,12 2,50E-04 0,00044 0,57 6,12E-07 9880,83

12 5,83E-04 0,00027 2,147 4,56E-07 87614,24 3,33E-04 0,00044 0,76 6,09E-07 13254,10

- Đường kính trong của ống trong:

F1, F2: tiết diện lưu chất tiếp xúc với thành ống.

- Độ nhớt động học của lưu chất

ν= μ

ρ=

4,29E-04979,74 =4,38E-07(

m2

s )

Trong đó:

ν: độ nhớt động học của lưu chất, m2/s

μ: độ nhớt của chất tải nhiệt, N.s/m2

ρ: khối lượng riêng của lưu chất (kg/m3)

- Tính Re dòng nóng:

ℜ=ω1.l

ν1 =

0,245 0,01864,38E-07 =10388,07

∆ t l: Hệ số nhiệt độ giữa dòng nóng và dòng lạnh ở đầu vào hoặc ra có giá trị lớn.

∆ t n: Hệ số nhiệt độ giữa dòng nóng và dòng lạnh ở đầu vào hoặc ra có giá trị nhỏ

KT: hệ số truyền nhiệt trong tường ống, thứ nguyên của nó là:

Hình 5.1.1: Sơ đồ phân bố nhiệt độ khi truyền nhiệt giữa các lưu chất qua tường ngăn

- Xác định chuẩn số Nu cho chế độ chảy dọc theo thân ống (ống kiểu C )

12.16 3ln

0.0210.0186+

Sai số |∆ t (%)|=∆ t sau−∆ t trước

Bảng 5.2.3 : Tính nhiệt lượng Q và tổn thất nhiệt ΔQQ

1 6,67E-05 0,00027 0,245 4,37E-07 10388,07 8,33E-05 0,00044 0,19 7,40E-07 2726,33

2 6,67E-05 0,00027 0,245 4,37E-07 10358,75 1,67E-04 0,00044 0,38 7,52E-07 5362,46

3 6,67E-05 0,00027 0,245 4,45E-07 10257,47 2,50E-04 0,00044 0,57 7,57E-07 7989,27

4 6,67E-05 0,00027 0,245 4,40E-07 10279,00 3,33E-04 0,00044 0,76 7,61E-07 10601,19

5 1,33E-04 0,00027 0,491 4,47E-07 19998,91 8,33E-05 0,00044 0,19 7,32E-07 2756,35

6 1,33E-04 0,00027 0,491 4,52E-07 19958,25 1,67E-04 0,00044 0,38 7,44E-07 5425,82

7 1,33E-04 0,00027 0,491 4,52E-07 19823,95 2,50E-04 0,00044 0,57 7,49E-07 8082,99

8 1,33E-04 0,00027 0,491 4,48E-07 19731,05 3,33E-04 0,00044 0,76 7,52E-07 10724,92

9 5,83E-04 0,00027 2,147 4,51E-07 87913,25 8,33E-05 0,00044 0,19 6,41E-07 3149,00

10 5,83E-04 0,00027 2,147 4,47E-07 88033,45 1,67E-04 0,00044 0,38 6,88E-07 5865,38

11 5,83E-04 0,00027 2,147 4,50E-07 88396,12 2,50E-04 0,00044 0,57 6,85E-07 8835,80

12 5,83E-04 0,00027 2,147 4,54E-07 87614,24 3,33E-04 0,00044 0,76 6,72E-07 12013,02

- Phương trình biểu diễn quá trình truyền nhiệt qua tường ống:

Q=K T L ∆ tlog

Trong đó:

L: chiều dài ống, mΔttlog: hiệu nhiệt độ trung bình logarit của hai lưu chất, K

KT: hệ số truyền nhiệt trong tường ống, thứ nguyên của nó là:

1 6,67E-05 0,00027 0,247 4,39E-07 10454,83 8,33E-05 0,00044 0,190 7,15E-07 2824,05

2 6,67E-05 0,00027 0,247 4,39E-07 10456,96 1,67E-04 0,00044 0,381 7,24E-07 5571,34

3 6,67E-05 0,00027 0,247 4,39E-07 10460,16 2,50E-04 0,00044 0,571 7,24E-07 8357,85

4 6,67E-05 0,00027 0,247 4,39E-07 10459,10 3,33E-04 0,00044 0,762 7,24E-07 11143,81

5 1,33E-04 0,00027 0,479 4,09E-07 21746,80 8,33E-05 0,00044 0,190 7,24E-07 2785,95

6 1,33E-04 0,00027 0,479 4,09E-07 21749,02 1,67E-04 0,00044 0,381 7,44E-07 5422,95

7 1,33E-04 0,00027 0,479 4,09E-07 21757,93 2,50E-04 0,00044 0,571 7,44E-07 8135,24

8 1,33E-04 0,00027 0,479 4,10E-07 21724,54 3,33E-04 0,00044 0,762 7,54E-07 10703,44

9 5,83E-04 0,00027 2,136 4,09E-07 97034,11 8,33E-05 0,00044 0,190 6,26E-07 3226,18

10 5,83E-04 0,00027 2,136 3,90E-07 101942,55 1,67E-04 0,00044 0,381 5,96E-07 6771,56

11 5,83E-04 0,00027 2,136 3,90E-07 101890,28 2,50E-04 0,00044 0,571 5,96E-07 10158,37

12 5,83E-04 0,00027 2,136 3,80E-07 104568,92 3,33E-04 0,00044 0,762 6,16E-07 13108,35

KT: hệ số truyền nhiệt trong tường ống, thứ nguyên của nó là:

11 0,47 0,93 74,68 46,48 2,391 3,811 350,492 105,489 12644,100 6389,029

12 0,55 0,91 75,75 45,1

1 2,355 3,917

351,123

124,353

30,511,33E-04 19999 101,98 31,45

112,86

1,67E-04 5447,28 44,8321 55,93462,50E-

04 8130,72 44,146 64,20173,33E-

04

10819,7

40,4048

68,3154

(m 3 /s) (m 3 /s) Re2 KT2 KT*

1,33E-04

8,33E-05 2762 79,31 31,451,67E-04 5469 97,79 73,622,50E-04 8171 111,11 89,273,33E-04 10862 124,30 97,41

(m 3 /s) (m 3 /s) Re2 KT2 KT*

5,83E-04

8,33E-05 3218 60,09 47,801,67E-04 6498 44,23 112,862,50E-04 9881 78,40 145,403,33E-04 13254 206,33 165,23

Re 2

2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 0.00

20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00

KT2 KT*

Re2

Re1

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000 0.00

100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00

KT1 KT*

Re1

2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 0.00

20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00

KT2 KT*

0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 0.00

100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00

KT1 KT*

Re1

0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 0.00

Re1

0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 0.00

5,83E-04

104569

1619,23

231,30

5

106,5 62,50E-04 8358 273,6

5

112,9 43,33E-04 11144 365,5

1

116,9 1

113,87 61,67E-

04 5422,95

106,25 2

134,57 62,50E-

04

8135,2 4

136,24 9

145,09 13,33E-

149,36 6

Re2

20000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 50

100 150 200 250

KT2 KT*

1,67E-04 6771,56

110,22 5

190,59 22,50E-

04

10158, 4

145,67 9

214,43 73,33E-

04

13108, 3

176,12 8

231,30 4

6 BÀN LUẬN

Câu 1: Tổn thất nhiệt có đáng kể không Tại sao?

Từ kết quả thí nghiệm đã tính toán được ta thấy tổn thất nhiệt là khá lớn Đặc biệt ở ống loại

B (chảy ngang) với lưu lượng dòng nóng là 4 (l/ph) tổn thất nhiệt Q mang các giá trị âm haylượng nhiệt mất đi ở dòng nóng nhỏ hơn lượng nhiệt dòng lạnh tiếp nhận (vô lý) Quá trìnhtổn thất nhiệt và sự vô lý của kết quả thí nghiệm ở ống loại B có thể do một số nguyên nhân:

- Thất thoát nhiệt ra môi trường do lớp bọc cách nhiệt hoạt động không tốt, các van dothời gian sử dụng dài dẫn đến rò rỉ

- Thất thoát nhiệt do có sự truyền nhiệt qua vách kim loại của ống và cặn bẩn dọc theođường ống

- Sự mất mát nhiệt dọc theo đường ống Đường ống càng dài lượng nhiệt tổn thất cànglớn

- Sai số thô do thiết bị thiếu ổn định dẫn đến ảnh hưởng các thông số hiển thị của máy, sai

số do người thực hiện đọc kết quả thiếu chính xác

Câu 2: Mức độ sai số, nguyên nhân gây ra sai số trong lúc làm thí nghiệm? Biện pháp khắc phục?

- Mức độ sai số của thí nghiệm trên là khoảng 5%, một số nguyên nhân dẫn đến sai sốtrên

 Lưu lượng của hai dòng nóng và lạnh không ổn định dẫn đến sự sai lệch trongquá trình xác định nhiệt độ ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm

 Sai số do quá trình ghi nhận nhiệt độ khi lưu lượng dòng và nhiệt độ chưa ổnđịnh

 Sai số do tổn thất nhiệt

 Sai số hệ thống do máy móc và làm tròn trong các quá trình tính toán.

- Biện pháp khắc phục

 Bảo dưỡng, kiểm tra đường ống thường xuyên, vệ sinh sạch sẽ để tránh cặn bẩn

 Khắc phục các thao tác thí nghiệm chuẩn xác, ghi nhận số liệu khi các thông sốnhư lưu lượng và nhiêt độ đã ổn định

 Tiến hành thí nghiệm lặp lại nhiều lần nhất có thể để sai số là nhỏ nhất

Câu 3: So sánh hệ số truyền nhiệt (trong tường ống) thực nghiệm K T với hệ số truyền nhiệt (tron tường ống) lý thuyết K T *

Hệ số truyền nhiệt giữa lý thuyết và thực tế có sự chênh lệch tương đối lớn, sự sai lệch này

có thể do một số nguyên nhân sau:

- Bỏ qua sự ảnh hưởng của lớp cặn bẩn trong quá trình tính hệ số truyền nhiệt lý thuyếtgây ảnh hưởng đến kết quả tính toán

- Quá trình tính toán, nội suy mắc nhiều sai số dẫn đến sai số chung lớn

- Trong quá trình thí nghiệm có nhiều yếu tố ảnh hưởng, tổn thất nhiệt

- Ống kim loại lẫn tạp chất dẫn đến sai lệch hệ số dẫn nhiệt của ống,

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Tấn Dũng, Quá trình và Thiết bị Truyền nhiệt, Tập 1 - Phần 2, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

[2] Nguyễn Tấn Dũng, Quá trình và Thiết bị Truyền nhiệt, Tập 2 - Phần 2, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

[3] Nguyễn Bin, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - Tập 2, Nhà xuất bản Khoa học

Kỹ thuật , 2006