BÁO CÁO THÍ NGHIỆM NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TRUYỀN NHIỆT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TRUYỀN NHIỆT

XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỬ DỤNG NHIỆT COP (𝜺) CHO CHU TRÌNH MÁY LẠNH VỚI THIẾT BỊ NGƯNG TỤ GIẢI NHIỆT BẰNG KHÔNG KHÍ VÀ THIẾT BỊ BAY HƠI LÀM LẠNH KHÔNG KHÍ 13

2.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA BÀI THÍ NGHIỆM: 13

2.2 MÔ TẢ THÍ NGHIỆM: 13

2.3 NHIỆM VỤ THÍ NGHIỆM: 15

2.4 SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM: 16

BÀI 3 19

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 19

3.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA BÀI THÍ NGHIỆM: 19

3.2 MÔ TẢ THÍ NGHIỆM: 19

3.3 NHIỆM VỤ THÍ NGHIỆM: 22

3.4 SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM: 23

3.5 NHẬN XÉT KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 26

BÀI 1

XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI KHÔNG KHÍ ẨM VÀ TÍNHTOÁN CÂN BẰNG NHIỆT ỐNG KHÍ

1.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA BÀI THÍ NGHIỆM1.1.1 Mục đích thí nghiệm

- Biết cách đo nhiệt độ (khô, ướt), lưu lượng gió, áp suất, thể tích - Hiểu quá trình làm lạnh có tách ẩm của không khí ẩm.

- Hiểu nguyên lý làm việc và các thiết bị cơ bản của chu trình làm lạnh đơn giản - Tính toán cân bằng nhiệt trong ống khí.

1.1.2 Yêu cầu chuẩn bị

Sinh viên đọc kỹ phần lý thuyết các phần sau trước khi vào tiến hành thí nghiệm: - Nhiệt kế khô và nhiệt kế ướt.

- Thiết bị đo tốc độ gió - Thiết bị đo thể tích - Thước kẹp.

1.2.2 Mô tả thí nghiệm

- Không khí được quạt thổi qua dàn lạnh của máy lạnh Trước và sau dàn lạnh có đặt các bầu nhiệt kế khô ướt để xác định trạng thái của không khí ẩm.

- Tại đầu ra của ống khí động có sử dụng 1 thiết bị đo tốc độ gió để xác định tốc độ và nhiệt độ của không khí.

- Tác nhân lạnh sử dụng trong hệ thống lạnh là R22.

- Sử dụng các bầu nhiệt kế khô và nhiệt kế ướt để xác định trạng thái của không khí tại các vị trí trước dàn lạnh (cũng chính là trạng thái không khí của môi trường xung quanh) và sau dàn lạnh.

- Sử dụng thiết bị đo tốc độ gió xác định vận tốc gió và nhiệt độ gió ra khỏi ống khí động, từ đó xác định lưu lượng không khí qua ống khí động.

- Xác định áp suất bay hơi và áp suất ngưng tụ của máy lạnh - Từ các số liệu trên, sinh viên xác định:

+ Biểu điễn quá trình thay đổi trạng thái của không khí trên đồ thị t-d (hoặc I-d) + Nhiệt lượng không khí nhả ra khi qua dàn lạnh.

+ Lượng ẩm tách ra khỏi dàn lạnh theo tính toán và giá trị thực tế nhận xét.

+ Biểu diễn các trạng thái của tác nhân lạnh trên đồ thị T-s (ứng với chu trình lạnh lý

1.4 SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM

- Khi hệ thống hoạt động ổn định, bắt đầu xuất hiện nước ngưng tại dàn lạnh, sinh viên tiến hành làm thí nghiệm với yêu cầu sau:

- Sinh viên tiến hành thí nghiệm 2 đợt (ghi chú: sau mỗi lần lấy số liệu xong, sinh viên

thay đổi lưu lượng gió qua dàn lạnh):

Thí nghiệm đợt 1: Thời gian 10 phút, số lần lấy số liệu là 3 lần Thí nghiệm đợt 2: Thời gian 10 phút, số lần lấy số liệu là 4 lần.

Bảng 2 và 3: Các thông số trạng thái của không khí ẩm:

Phần tính toán mẫu cho bảng 2: (số liệu lần 1)

Từ bảng nước và hơi nước bão hòa (theo nhiệt độ):

Tương tự tính được các giá trị còn lại.

Phần tính toán mẫu cho bảng 3: (số liệu lần 1)

Từ bảng nước và hơi nước bão hòa (theo nhiệt độ):

Bảng 4 và 5: Các thông số khác liên quan đến không khí ẩm

Phần tính toán mẫu cho bảng 4: (số liệu lần 1)

- Diện tích ống khí ra: Xem diện tích cần tính là hình chữ nhật ta có:

F=a b=10.10,5=105(cm2)=0,0105 (m2)

- Khối lượng riêng của không khí:

Từ bảng thông số vật lý của không khí khô (H=760 mmHg): Tại t=22℃ ⇒ ρ=1,197(kg/m3

- Lưu lượng không khí ẩm qua ống động: Gkk=v F ρ

Trong đó: v là vận tốc trung bình của gió ra khỏi ống (m/s).

F là diện tích miệng ống (m2).

ρ là khối lượng riêng của không khí (kg /m3).

⇒Gkk=v F ρ=4,41.0,0105.1,197=0,0554 (kg /s).

- Nhiệt lượng không khí nhả ra khi qua dàn lạnh (độ lớn): Qo=Gkk.(I1−I2)

Với: I1,I2 lần lượt là entanpy của không khí trước và sau dàn lạnh.

⇒Qo=Gkk.(I1−I2)=0,0554.(90,9890−51,5699)=2,1849(kW ) Tương tự tính được các giá trị còn lại.

Phần tính toán mẫu cho bảng 5: (số liệu lần 1)

- Diện tích ống khí ra: Xem diện tích cần tính là hình chữ nhật ta có:

F=a b=10.10,5=105(cm2)=0,0105 (m2)

- Khối lượng riêng của không khí:

Từ bảng thông số vật lý của không khí khô (H=760 mmHg): Tại t=18℃ ⇒ ρ=1,2134(kg/m3

- Lưu lượng không khí ẩm qua ống động: Gkk=v F ρ

Trong đó: v là vận tốc trung bình của gió ra khỏi ống (m/s).

∆=Vn(¿)−Vn (tt )

Vn(¿) ×100 %=

- Nhiệt lượng không khí nhả ra khi qua dàn lạnh (độ lớn): Qo=Gkk.(I1−I2)

Với: I1,I2 lần lượt là entanpy của không khí trước và sau dàn lạnh.

⇒Qo=Gkk.(I1−I2)=0,0312.(93,3636−23,0219)=2,1957 (kW ) Tương tự tính được các giá trị còn lại.

- Nhìn chung giá trị của lượng ẩm tách ra khỏi dàn lạnh theo tính toán lớn hơn so với giá trị thực tế Sai số giữa giá trị tính toán và giá trị thực tế dao động từ 24 % ÷50 %.

+ Do làm tròn số trung gian trong quá trình tính toán.

Bảng 6 và 7: Các số liệu liên quan đến chu trình lạnh

Tìm nhiệt độ sôi tương ứng:

+ Trước hết, ta cần đổi đơn vị cho áp suất bay hơi đọc trên áp kế là 5,7 kgf/cm2 = 5,5898 bar.

+ Tiếp theo, ta tìm áp suất tuyệt đối = áp suất bay hơi đọc trên áp kế + áp suất khí quyển (pkq=1¯¿), ta được áp suất tuyệt đối là 6,5898 bar.

+ Ta tra bảng Các tính chất nhiệt động của R22 ở trạng thái bão hòa, ta tìm được nhiệt độ sôi tương ứng với áp suất tuyệt đối = 6,5898 bar là 8,9076 ℃ Tìm nhiệt độ ngưng tụ tương ứng:

+ Ta làm tương tự như cách tìm nhiệt độ sôi tương ứng, ta tìm được nhiệt độ ngưng tụ tương ứng là 48,3025 ℃

Lần 2 và 3 : cũng tính tương tự như lần 1, ta được:

Lần 2: nhiệt độ sôi tương ứng là 10,3526℃ và nhiệt độ ngưng tụ tương ứng là 49,4270℃.

Lần 3: nhiệt độ sôi tương ứng là 10,3526℃ và nhiệt độ ngưng tụ tương ứng là 49,4270℃.

TÍNH TOÁN THÍ NGHIỆM ĐỢT 2

Thí nghiệm đợt 2 cũng tính tương tự thí nghiệm đợt 1, ta được:

Lần 1 : nhiệt độ sôi tương ứng là 7,9106℃ và nhiệt độ ngưng tụ tương ứng

là 48,3025℃.

Lần 2 : nhiệt độ sôi tương ứng là 5,3224℃ và nhiệt độ ngưng tụ tương ứng

KHÍ TRÊN ĐỒ THỊ T-D (HOẶC I-D)

- Thí nghiệm 1: Dùng giá trị trung bình của thí nghiệm đợt 1 để vẽ đồ thị

+ Tại điểm 1: I1=92,2552 kJ /kg; d1=22,7529 g/kga; t1=33,8333℃.

+ Tại điểm 2: I2=51,0521 kJ /kg; d2=12,6289 g/kga; t2=19℃.

- Thí nghiệm 2: Dùng giá trị trung bình của thí nghiệm đợt 2 để vẽ đồ thị

+ Tại điểm 1: I1=94,5537 kJ /kg; d1=23,6821 g/kga; t1=33,75℃.

+ Tại điểm 2: I2=21,1448 kJ /kg; d2=5,7770 g/kga; t2=6,625℃.

T-S (ỨNG VỚI CHU TRÌNH LẠNH LÝ THUYẾT, BỎ QUA ĐỘ QUÁNHIỆT QUÁ LẠNH.

- Do không có sự thay đổi nhiều về chu trình lạnh giữa 2 đợt thí nghiệm (dùng cùng 1 hệ thống thí nghiệm) nên ta vẽ chung đồ thị cho cả 2 đợt thí nghiệm lấy số liệu trung bình để vẽ.

BÀI 2

XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỬ DỤNG NHIỆT COP (𝜺) CHO CHUTRÌNH MÁY LẠNH VỚI THIẾT BỊ NGƯNG TỤ GIẢI

NHIỆT BẰNG KHÔNG KHÍ VÀ THIẾT BỊ BAY HƠILÀM LẠNH KHÔNG KHÍ

2.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA BÀI THÍ NGHIỆM:2.1.1 Mục đích thí nghiệm:

 Giúp sinh viên có khả năng kết hợp các kiến thức giữa lý thuyết và thực hành  Nắm được chu trình hoạt động cơ bản của thiết bị làm lạnh không

khí có kết hợp một số thiết bị phụ trong sơ đồ hoạt động.

 Giúp sinh viên có thể đo đạc thông số nhiệt độ, áp suất để tính nhiệt lượng, hệ số làm lạnh thực tế của thiết bị.

2.1.2 Yêu cầu chuẩn bị:

 Sinh viên phải nắm được chu trình lạnh

 Biết ứng dụng các công thức trong sơ đồ lạnh.

2.2 MÔ TẢ THÍ NGHIỆM:

Để làm lạnh không khí trong buồng lạnh, bàn thí nghiệm này sử dụng một hệ thống lạnh với tác nhân lạnh là R12 (CCl2F2, thuộc nhóm TNL CFC) có sơ đồ nguyên lý như được mô tả ở hình 1 Máy nén (A) nén hơi R12 từ áp suất sôi p0 đến áp suất ngưng tụ pk Hơi R12 sau khi ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng không khí (B) được đi vào bình chứa cao áp (C) Sau đó lỏng R12 từ (C) đi qua van tiết lưu (I) để giảm áp suất từ pk đến p0 và đi vào thiết bị bay hơi làm lạnh không khí (J) Hơi R12 ra khỏi (J) ở áp suất p0 được hút vào (A) và các quá trình của chu trình được lặp lại.

Chu trình máy lạnh được biểu diễn trên đồ thị log p-I và T-s gồm các quá trình như sau:

- 1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt hơi trong máy nén.- 2-3: Quá trình ngưng tụ đẳng áp.

- 3-4: Quá trình tiết lưu trong van tiết lưu.

- 4-1: Quá trình bay hơi đẳng nhiệt và đẳng áp trong thiết bị bay hơi.

Các vị trí đo nhiệt độ và áp suất trong chu trình máy lạnh:

- Các áp kế 𝑝1 và 𝑝2 dùng để đo áp suất hút và đẩy sau van tiết lưu và sau đầu đẩy của máy nén (A).

- Nhiệt độ của tác nhân lạnh R12 đi vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ (B) được đo bằng các sensor T1 và T2.

- Nhiệt độ của không khí giải nhiệt đi vào và đi ra khỏi thiết bị ngưng tụ (B) được đo bằng các sensor T3 và T4.

- Nhiệt độ của tác nhân lạnh R12 đi vào và ra khỏi thiết bị bay hơi (J) được đo bằng các sensor T5 và T9.

- Nhiệt độ không khí trong buồng lạnh được đo bằng T6.

2.3 NHIỆM VỤ THÍ NGHIỆM:

Trong bài thí nghiệm này sinh viên có nhiệm vụ phải thu thập các số liệu về áp suất hút, đẩy; nhiệt độ của tác nhân lạnh khi vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ, nhiệt độ của tác nhân lạnh khi vào và ra khỏi thiết bị bay hơi, nhiệt độ của không khí giải nhiệt khi vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ và nhiệt độ của không khí khi vào và ra khỏi thiết bị bay hơi Sau đó kết hợp với kết quả tính toán để xác định:

- Các thông só trạng thái trong chu trình thực của máy lạnh.

- Hệ số sử dụng nhiệt COP (𝜀) của chu trình lý thuyết và chu trình thực.

- Phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ Qk.

- Lượng không khí cần thiết để giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ Gkk.2.4 SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM:

Bảng 1 – Các số liệu đo của tác nhân lạnh trong chu trìnhÁp suất làm việc của hệ

thốngTại đầu đẩy của máy nén (𝑷𝒌)

Ta có: 𝛿𝑝ℎí 𝑝í = 0,00436𝑚, 𝛿𝑚𝑖𝑐𝑎 = 0,00380, 𝛿𝑥ố𝑝 = 0,01𝑚, chiều cao 0,395m, chiều dài 0,8m, chiều rộng 0,395m.

Bảng 4 – Hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu

Loại vật liệu Hệ số dẫn nhiệt (𝜆), W/

𝜆𝑖 - Hệ số dẫn nhiệt của lớp vách thứ I (tra theo bảng 4), W/mK.

𝛼1 - Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của không khí bên ngoài buồng lạnh, W/m2K Chọn 𝛼 = 6 W/m2K

𝛼2 - Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của không khí bên trong buồng lạnh, W/m2K.

(Bỏ qua nhiệt lượng làm mát không khí)

- Xác định lưu lượng R12 (kg/s) làm việc trong chu trình máy lạnh (bỏ qua tổn thất lạnh qua môi trường xung quanh) theo công thức:

GR 12= Q0 i1−i4

𝑄0: Phụ tải của buồng lạnh, kW

𝑖1, 𝑖4: Entanpy của R12 tại điểm 1 và 4 trong bảng 3, kJ/kg

- Xác định phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ Qk (kW):

BÀI 3

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

3.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA BÀI THÍ NGHIỆM:

3.1.1 Mục đích thí nghiệm:

- Quan sát quá trình trao đổi nhiệt của ống xoắn và vỏ bọc chùm ống

- Tính hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị và hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi

3.1.2 Yêu cầu chuẩn bị:

Sinh viên tìm hiểu các phần lý thuyết trước khi tiến hành thí nghiệm:

- Các dạng truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ

- Công thức tính nhiệt lượng do quá trình nhận nhiệt và nhả nhiệt của nước- Công thức tính hệ số truyền nhiệt và hệ số Reynold

3.2 MÔ TẢ THÍ NGHIỆM:

3.2.1 Thiết bị và vật tư thí nghiệm:

Thiết bị gồm hai bộ trao đổi nhiệt (ống xoắn và vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt cùng chiều hoặc ngược chiều.

Có 4 cảm biến nhiệt độ cùng đo nhiệt độ vào và ra của nước nóng và nước lạnh đi qua bộ trao đổi nhiệt Nhiệt độ được hiển thị trên màn hình.

Các đặc điểm kỹ thuật:

- Bộ coil exchanger với bề mặt trao đổi nhiệt khoảng 0,1m2, kí hiệu E2.

- Coil làm từ thép không gỉ AISI 316, đường kính ngoài ống 12mm, bề dày 1mm, chiều dài

- Ống bọc ngoài làm từ thủy tinh borosilicate, đường kính trong 100 mm.- Bộ shell-and-tube exchanger, bề mặt trao đổi nhiệt khoảng 0,1m2, kí hiệu E1.

- Có 5 ống làm từ thép AISI 316, đường kính ngoài ống 10mm, bề dày 1mm và chiều dài

- Ống bọc ngoài làm từ thủy tỉnh borosilicate, đường kính trong 50mm.- Có 13 khoảng chia với kích thước khoảng 75% đường kính.

3.2.2 Mô tả thí nghiệm:

Bắt đầu:

- Kiểm tra các đường nước vào, nước ra được gắn chặt vào đường ống.- Kiểm tra nguồn điện.

- Kiểm tra bình cấp nước nóng.- Đóng các van xả.

- Bật công tắc bằng hiện thị nhiệt độ.

- Bật bơm chạy các đường nước nóng và lạnh.

- Nước nóng và nước lạnh chạy qua hai bộ trao đổi nhiệt và nhiệt độ được hiển thị trên màn

3.3 NHIỆM VỤ THÍ NGHIỆM:

Lần lượt tiến hành các bài thi nghiệm sau và lấy số liệu:

- Chạy bộ E1 (vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt cùng chiều:

- Điều chỉnh lưu lượng nước nóng và lưu lượng nước lạnh bằng các van Mỗi lần điều chỉnh

đợi khoảng 2-3 phút cho nhiệt độ các cảm biến ổn định thi tiến hành ghi số liệu.

3.4 SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM:

E1 (vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt cùng chiều:

chùm ống) trao đổi nhiệt ngược chiều:

E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt cùng chiều:

E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt ngược chiều:

BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM:

- Tính nhiệt trao đổi trong hệ thống và hiệu suất tổng tại các mức lưu lượng thể tích

3.5.1 Hệ số truyền nhiệt ở trao đổi nhiệt cùng chiều và ngược chiều.

- Hệ số truyền nhiệt được tính ở các lần test và ở mỗi trường hợp của các ống E1 và E2 đều

lớn hơn và nằm trong khoảng 10%.

- Hệ số truyền nhiệt nhìn chung có sự thay đổi không quá lớn giữa các lần test đối với hệ

thống trao đổi nhiệt ống xoắn.

- Hệ số truyền nhiệt của hệ thống trao đổi nhiệt ống xoắn bé hơn so với hệ thống vỏ bọc

chùm ống.

→ Khả năng trao đổi nhiêt thấp hơn so với vỏ bọc chùm ống.

3.5.2 Hệ số Reynolds

- Với số Reynolds tính toán được, các dòng chảy trong ống đều là dòng chuyển tiếp từ chảy

tần sang chảy rối.

- Sổ Reynolds của mỗi bộ thí nghiệm không có quá nhiều sự khác biệt nhưng thay đổi thất

- Số Reynolds của bộ thí nghiệm E2 thì bé hơn so với E1.

Một số nguyên nhân ảnh hưởng đến số Reynolds

- Cặn bẩn của nước không tinh khiết lâu ngày bám lên các thành ống.- Sự rò rỉ lưu chất khi thí nghiệm.

- Bơm không hoạt động ổn định.

- Dòng chảy không đạt được ổn định cần thiết dù được điều chỉnh cẩn thận và có bọt khí.

Nguyên nhân sai số:

- Sai số khi khi xác định lưu lượng: do dòng chảy chưa đạt được độ ổn định, do bơm hoạt

động chưa ổn định, do hệ thống dụng cụ đo không đủ chính xác, do quá trình đọc số liệu chưa chuẩn.

- Sai số do có sự rò rỉ của lưu chất trong quá trình thí nghiệm.

- Sai số do không cách nhiệt tốt gây thất thoát nhiệt ra môi trường bên ngoài

- Do các van không kín khít, một phần nước nóng và nước lạnh có thể hòa vào nhau.

- Nước dùng thí nghiệm không tinh khiết, còn số liệu tra cứu được dùng cho nước tinh khiết.- Cặn bẩn của nước không tinh khiết bám lên thành ống làm sai lệch lưu lượng chảy qua ống.- Ngoài ra còn các nguyên nhân chủ quan do người tiến hành thí nghiệm như đọc số liệu chưa

chuẩn, sai số trong quá trình tính toán.