báo cáo thí nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt

BÁO CÁO THÍ NGHIỆMTHIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆTBài 1 – Xác định lượng nhiệt trong quá trình ngưng tụSử dụng thiết bị thí nghiệm để xác định nhiệt lượng của nước làm mát lấy đi từ hơi trong quá

Trường Đại học Bách Khoa Hà NộiViện Khoa học & Công nghệ Nhiệt lạnh

Lớp: Nhiệt 05-K64Mã lớp thí nghiệm: 709219

Hà Nội, ngày 17 tháng 3 năm 2022

1

BÁO CÁO THÍ NGHIỆMTHIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

Bài 1 – Xác định lượng nhiệt trong quá trình ngưng tụ

Sử dụng thiết bị thí nghiệm để xác định nhiệt lượng của nước làm mát lấy đi từ hơi trong quá trình ngưng tụ.

Quá trình ngưng tụ (quá trình ngưng hơi) là quá trình biến trạng tháihơi thành trạng thái lỏng Đây là quá trình chuyển pha, do đó nó chỉ xảy rakhi hơi ở trạng thái dưới tới hạn do làm lạnh hoặc do bị nén.

Để có quá trình ngưng tụ cần sự sinh hơi của thiết bị đốt nóng trongthiết bị thí nghiệm.

Khi chúng ta cung cấp nhiệt cho chất lỏng qua bề mặt đun nóng nênchất lỏng ở sát bề mặt có độ quá nhiệt cao, nếu bề mặt có sẵn những tâmhoá hơi thì quá trình sôi của chất lỏng được hình thành Trên bề mặt đunnóng tại những tâm hoá hơi, giọt nước sẽ nhận nhiệt hoá thành các bọt hơicó kích thước rất nhỏ, chúng được xem là những “mầm hơi” để tạo thànhpha hơi Những bọt hơi sau khi sinh ra có thể tồn tại và dần dần lớn lên dosự bay hơi của chất lỏng gần bề mặt bọt hơi, hoặc có thể bẹp đi do ngưngtụ của hơi trong bọt.

Điều kiện tồn tại của bọt hơi trong chất lỏng được quyết định bởi sựcân bằng các lực tác dụng lên bề mặt bọt hơi Những lực đó là lực áp suấtcủa hơi trong bọt, lực áp suất của chất lỏng bao chung quanh bọt.

Các bọt hơi mới sinh ra nhận nhiệt từ bề mặt đun nóng qua lớp chấtlỏng bao quanh bọt hơi, lớp chất lỏng này liên tục bay hơi vào trong bọt làmtăng dần kích thước của bọt hơi Theo mức độ lớn lên của bọt hơi, sức căng

2

bề mặt bị giảm rất nhanh, do đó tốc độ lớn lên của bọt hơi tăng liên tục vàcàng làm tăng cường độ bay hơi trên bề mặt bọt hơi Độ chênh nhiệt độ Δtcàng tăng thì tốc độ lớn lên của bọt hơi càng tăng, khi áp suất tăng thì tốcđộ lớn lên của bọt hơi sẽ chậm lại.

Khi kích thước của bọt hơi đủ lớn, lực nâng tác dụng lên bọt hơi trởnên đáng kể, nó làm tách bọt hơi khỏi bề mặt đun nóng, tiếp ngay sau đấymột 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 đểtạo thành bọt hơi mới Thời gian kể từ thời điểm tách ly bọt hơi cũ đến thờiđiểm tách ly bọt mới kế tiếp trên cùng một vị trí của bề mặt đun nóng (tứctrên cùng một tâm hóa hơi) được gọi là chu kỳ sản sinh bọt hơi (τ).

Quá trình ngưng tụ hơi môi chất gắn liền với việc biến đổi pha Đểquá trình ngưng hơi trên bề mặt vật rắn cần phải có 2 điều kiện:

+ Nhiệt độ bề mặt rắn phải nhỏ hơn nhiệt độ của hơi bão hòa tiếp xúc với bề mặt rắn.

+ Trên bề mặt vật rắn phải có các tâm ngưng tụ Các tâm ngưng có thể là bọt khí, hạt bụi.

2 Bình trao đổi nhiệt3 Bình chứa môi chất4 Bộ gia nhiệt bề mặt5 Cặp nhiệt 16 Cặp nhiệt 2

III Tiến trình thí nghiệm

Khởi động thiết bị thí nghiệm, đặt thông số thiết bị như sự hướng dẫn củagiáo viên hướng dẫn như lưu lượng nước, nhiệt độ cấp nước cho bề mặt.

Ghi lại số liệu nhiệt độ của nước làm mát đi vào T và nhiệt độ của 3

nước làm mát đi ra T 4

Lặp lại lại thí nghiệm sau 10 phút/lần.

Lưu lượng nước 1 (l/phút)Nhiệt độ cấp cho bề mặt 160 C0Kết quả thí nghiệm: (t = 10 phút/lần)

T5 – Nhiệt độ bề mặt đốt nóng (Heat Surface Temperature)

Lượng nhiệt mà nước lấy đi trong thí nghiệm:

Q = Gc.C (Tpc4 - T )3

Trong đó: G là lưu lượng nước làm mát , G = cc 2 l/phút = 0,033 kg/s.

C là nhiệt dung riêng của nước làm mát tra theo nhiệt độ trung bình pc

Qua nghiên cứu quá trình ngưng tụ của môi chất, ta nhận thấy quá trìnhngưng tụ của môi chất diễn ra trong thực tế là rất phức tạp Trong quá trìnhngưng tụ có sự chuyển động của dòng hai pha và quá trình chuyển đổi pha từpha hơi sang pha lỏng nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, cho nên việc nghiêncứu quá trình ngưng tụ có ý nghĩa rất thực tế, giúp chúng ta xác định đượccác điều kiện xảy ra của quá trình ngưng tụ, các yếu tố ảnh hưởng, từ đóchúng ta sẽ có sự tính toán, thiết kế, bố trí các bề mặt trao đổi nhiệt sao cho

5

hợp lý, góp phần đáng kể vào việc nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt, giảm chi phí đầu tư, từ đó dẫn đến giảm giá thành sản phẩm.

Bài 2 – Xác định lượng lỏng ngưng trên thiết bị ngưng tụI Mục đích thí nghiệm

Xác định lưu lượng môi chất lạnh lỏng ngưng trên bề mặt của thiết bị thí nghiệm trao đổi nhiệt kiểu ống xoắn.

II Cơ sở lý thuyết

Bài thí nghiệm sử dụng thiết bị thí nghiệm tương tự bài 1 vì vậy cơ sở lý thuyết tương tự Cũng có các hiện tượng sôi, sinh hơi và ngưng tụ xảyra:

Theo thực nghiệm, người ta nhận thấy rằng đặc tính của quá trình sôi và cường độ cấp nhiệt khi sôi phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ Δt giữa bề mặtđun nóng và chất lỏng sôi Δt = t - tTs

tT: nhiệt độ thành phía tiếp xúc với chất lỏng.ts: nhiệt độ sôi của chất lỏng

Khi Δt bé (Δt < 5 C), các bọt hơi nhỏ li ti bắt đầu xuất hiện trên bề omặt đun nóng tại các tâm tạo bọt Lúc này việc tăng Δt ít ảnh hưởng đến αvà q vì số bọt hơi sinh ra không đủ xáo động mạnh lớp chất lỏng trên bề mặt đun nóng.

Khi Δt > 5 C, việc tăng Δt gây ảnh hưởng rõ rệt đến việc tăng α vàoq Số tâm tạo bọt tăng lên sinh ra các bọt hơi càng nhiều và càng tách rakhỏi bề mặt đun nóng, chất lỏng sủi bọt nhiều hơn và quá trình sôi mãnhliệt hơn Chính các bọt hơi này làm tăng tốc độ chuyển động của chất lỏng,chúng bị xáo động mạnh, do đó α tăng.

III Tiến trình thí nghiệm

Khởi động thiết bị thí nghiệm, đặt thông số thiết bị ban đầu với lưu lượng nước làm mát là 1 l/phút và công suất đốt nóng thiết bị đốt nóng là

IV Kết quả thí nghiệm & Tính toán

Thông số ban đầu:

Thời gian lấy số liệu: t = 10 phút/lần6

P Công Lưu T1 T2 T3 T4 T5(bar) suất lượng (0C) (0C) (0C) (0C) (0C)

Tính toán:

-Nhiệt độ trung bình của nước:

- T1tb = (T3+T4)/2 = 25 Co-Tra thông số của nước ở T :1tb

- Cp1 = 4,174 kJ/kg.K

- ρ1 = 996,95 kg/m3-Từ đó ta có:

- G1 = ρ1.V1 = 996,95.4,67.10 = 0,0465 -5kg/s -Nhiệt lượng nước nhận được là:

Q1 = G1.C (Tp14 – T ) =0,0465.4,174.( 25.3– 24.7) = 0,116 3

(kW) -Nhiệt lượng môi chất thải:- Q2 = Q = 0,116 kW1-Nhiệt ẩn ngưng tụ của R141b ( tra ở 0.88 bar):

r = 241,9 kJ/kg

-Lưu lượng môi chất ngưng tụ: G = Q /r =4.79.10 kg/s212 -4

7

+)Lầnđo 2:

V1=1.2 lít/phút =2x10-5m /s3-Nhiệt độ trung bình của nước:

- T1tb = (T3+T4)/2 = 25.7 Co-Tra thông số của nước ở T :1tb

- Cp1 = 4,174 kJ/kg.K

- ρ1 = 996,95 kg/m3-Từ đó ta có:

- G1 = ρ1.V1 = 996,95.2.10 = 0,0199 -5kg/s -Nhiệt lượng nước nhận được là:

Q1 = G1.C (Tp14 – T ) =0,0199.4,174.( 26.3– 25.1) = 0,0996 3

(kW) -Nhiệt lượng môi chất thải:- Q2 = Q = 0,0996 kW1-Nhiệt ẩn ngưng tụ của R141b ( tra ở 0.91 bar):

- Cp1 = 4,174 kJ/kg.K

- ρ1 = 996,95 kg/m3-Từ đó ta có:

- G1 = ρ1.V1 = 996,95.2.10 = 0,0199 -5kg/s -Nhiệt lượng nước nhận được là:

Q1 = G1.C (Tp14 – T ) =0,0199.4,174.( 26.2– 25) = 0,0996 3

(kW) -Nhiệt lượng môi chất thải:- Q2 = Q = 0,0996 kW1-Nhiệt ẩn ngưng tụ của R141b ( tra ở 0.91 bar):

r = 235,8 kJ/kg

-Lưu lượng môi chất ngưng tụ: G = Q /r =4,22.10 kg/s212 -4

-Nhiệt độ trung bình của nước:

- T1tb = (T3+T4)/2 = 25.65 Co-Tra thông số của nước ở T :1tb

8

- Cp1 = 4,174 kJ/kg.K

- ρ1 = 996,95 kg/m3-Từ đó ta có:

- G1 = ρ1.V1 = 996,95.2.10 = 0,0199 -5kg/s -Nhiệt lượng nước nhận được là:

Q1 = G1.C (Tp14 – T ) =0,0199.4,174.( 26.3– 25) = 0,108 3

(kW) -Nhiệt lượng môi chất thải:- Q2 = Q = 0,108 kW1-Nhiệt ẩn ngưng tụ của R141b ( tra ở 0.91 bar):

9

Bài 3: Tăng cường trao đổi nhiệt

Lưu lượng dòng chảy qua kênh được tính bằng công thức : G=S.VTrong đó : S : tiết diện dòng chảy

V:vận tốc dòng không khí chảy qua tiết diện Lượng nhiệt trao đổi : Q=kF∆ Trong đó : k : hệ số truyền nhiệt (w/m k)2

F : diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

∆ : độ chênh nhiệt độ

3.Số liệu đo và tính toán:

-Đối với ống trụ trơn đặc :

Công suất Vận tốc Nhiệt độ tại Nhiệt độ vào

- Và khi sử dụng ống có cánh thì sự trao đổi nhiệt cũng được tăngcường như khi tăng vận tốc gió.

10