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 Nội Viện Khoa học & Công nghệ Nhiệt lạnh

-

-Báo cáo thí nghiệm :

Thiết bị trao đổi nhiệt

Giảng viên hướng dẫn: Lê Xuân Tuấn

Sinh viên: Nguyễn Tuấn Dũng

Mssv: 20193762

Lớp: Nhiệt 05-K64

Mã lớp thí nghiệm: 709219

Hà Nội, ngày 17 tháng 3 năm 2022

1

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM THIẾT 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 thái hơi thành trạng thái lỏng Đây là quá trình chuyển pha, do đó nó chỉ xảy ra khi 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 trong thiết bị thí nghiệm

Khi chúng ta cung cấp nhiệt cho chất lỏng qua bề mặt đun nóng nên chất lỏng ở sát bề mặt có độ quá nhiệt cao, nếu bề mặt có sẵn những tâm hoá hơi thì quá trình sôi của chất lỏng được hình thành Trên bề mặt đun nóng tại những tâm hoá hơi, giọt nước sẽ nhận nhiệt hoá thành các bọt hơi

có kích thước rất nhỏ, chúng được xem là những “mầm hơi” để tạo thành pha hơi Những bọt hơi sau khi sinh ra có thể tồn tại và dần dần lớn lên do

sự bay hơi của chất lỏng gần bề mặt bọt hơi, hoặc có thể bẹp đi do ngưng

tụ của hơi trong bọt

Điều kiện tồn tại của bọt hơi trong chất lỏng được quyết định bởi sự cân bằng các lực tác dụng lên bề mặt bọt hơi Những lực đó là lực áp suất của 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 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

2

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 Δt 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 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)

Quá trình ngưng tụ hơi môi chất gắn liền với việc biến đổi pha Để quá 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 Mô tả thiết bị

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu sôi được minh họa trên hình vẽ Trong đó:

1 Thiết bị đo lưu lượng

3

2 Bình trao đổi nhiệt

3 Bình chứa môi chất

4 Bộ gia nhiệt bề mặt

5 Cặp nhiệt 1

6 Cặp nhiệt 2

III Tiến trình thí nghiệm

Khởi động thiết bị thí nghiệm, đặt thông số thiết bị như sự hướng dẫn của giáo 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 C0

Kết quả thí nghiệm: (t = 10 phút/lần)

(bar) (W) Lượng (0C) (0C) (0C) (0C) (0C)

Với T1 – Nhiệt độ môi chất R141b lỏng (R141b Liquid Temperature)

T2 – Nhiệt độ môi chất R141b hơi (R141b Vapour Temperature)

T3 – Nhiệt độ nước làm mát vào (Inlet Water Temperature)

T4 – Nhiệt độ nước làm mát ra (Outlet Water

Temperature)

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

Lượng nhiệt mà nước lấy đi trong thí nghiệm:

Q = G c C (T pc 4 - T ) 3

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

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

Ttb = ( T + T )/2 = ( 23.4 + 22.3 )/2 = 22.85 C4 3 o

Từ nhiệt độ trung bình tra bảng Thông số vật lý của nước trên đường bão hòa ta được C pc = 4,178 kJ/kgK

Ta tính được :

Q = 0,033 4,178 ( 23,4 – 22,3 ) = 0,1516 (kW)1

Q = 0,033 4,178 ( 23,5 – 22,1 ) = 0,1930 (kW)2

Q = 0,033 4,178 ( 23.2 – 21.6 ) = 0,2205 (kW)3

Q = 0,033 4,178 ( 23,3 – 21,4 ) = 0,2619 (kW)4

Q = 0,033 4,178 ( 23,4 – 21,5 ) = 0,2619 (kW)5

V Nhận xét

- Lượng nhiệt nước làm mát nhận được tăng dần theo thời gian

- Thời gian càng nhiều thì nhiệt độ nước làm mát ra càng ổn định và

ổn định nhất khi Q = Qmax

- Nhiệt lượng mà nước làm mát nhận được so với nhiệt lượng mà hơi, môi chất tỏa ra khi ngưng tụ (nhiệt lượng nước lấy và nhiệt ẩm hóa hơi) có sự sai khác do tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường, thiết bị thí nghiệm có sai số

Qua nghiên cứu quá trình ngưng tụ của môi chất, ta nhận thấy quá trình ngưng tụ của môi chất diễn ra trong thực tế là rất phức tạp Trong quá trình ngưng tụ có sự chuyển động của dòng hai pha và quá trình chuyển đổi pha từ pha hơi sang pha lỏng nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, cho nên việc nghiên cứu quá trình ngưng tụ có ý nghĩa rất thực tế, giúp chúng ta xác định được các điều kiện xảy ra của quá trình ngưng tụ, các yếu tố ảnh hưởng, từ đó chúng 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 tụ

I 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 xảy ra:

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 mặt đun nóng và chất lỏng sôi Δt = t - tT s

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 o mặt đun nóng tại các tâm tạo bọt Lúc này việc tăng Δt ít ảnh hưởng đến α

và 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 vào

q Số tâm tạo bọt tăng lên sinh ra các bọt hơi càng nhiều và càng tách ra khỏi bề mặt đun nóng, chất lỏng sủi bọt nhiều hơn và quá trình sôi mãnh liệt 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/lần

6

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

(W) (l/phút)

Trong đó:

- T1 là nhiệt độ của R141B lỏng

- T2 là nhiệt độ của hơi R141B

- T3 là nhiệt độ vào của nước giải nhiệt

- T4 là nhiệt độ ra của nước giải nhiệt

- T5 là nhiệt độ bề mặt bộ gia nhiệt

- P1 áp suất tuyệt đối trong bình

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 -5 kg/s -Nhiệt lượng nước nhận được là:

Q1 = G1.C (Tp1 4 – 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/s21 2 -4

7

đo 2:

V1= 1.2 lít/

phút = 2x10-5

m /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 -5 kg/s -Nhiệt lượng nước nhận được là:

Q1 = G1.C (Tp1 4 – 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):

r = 235,8 kJ/kg -Lưu lượng môi chất ngưng tụ: G = Q /r =4,22.10 kg/s21 2 -4

-Nhiệt độ trung bình của nước:

- T1tb = (T3+T4)/2 = 25.6 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 -5 kg/s -Nhiệt lượng nước nhận được là:

Q1 = G1.C (Tp1 4 – 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/s21 2 -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 -5 kg/s -Nhiệt lượng nước nhận được là:

Q1 = G1.C (Tp1 4 – 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):

r = 235,8 kJ/kg -Lưu lượng môi chất ngưng tụ: G = Q /r =4,58.10 21 2 -4

kg/s 5.Kết luận:

Lưu lượng môi chất ngưng tụ phụ thuộc vào áp suất trong bình trao đổi nhiệt, vào nhiệt độ và lưu lượng nước làm mát Trong điều kiện môi trường thí nghiệm có nhiệt độ tương đối cao, cùng với thời gian thí nghiệm tương đối ngắn dẫn đến kết quả thí nghiệm chưa đạt được kết quả tốt nhất

9

Bài 3: Tăng cường trao đổi nhiệt

1 Mục đích thí nghiệm :

Tăng cường trao đổi nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt thực hiện qua các vách đã có

2 Nguyên lý :

Mô hình kiểu dòng chảy , dòng không khí chảy trong kênh dẫn được vẩn chuyển bằng 2 loại quạt trong thiết bị trao đổi nhiệt ( quạt hướng trục

và quạt ly tâm )

Lưu lượng dòng chảy qua kênh được tính bằng công thức : G=S.V Trong 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

(0C)

4 Nhận xét:

- Từ số liệu đo được ta có thể thấy sự tăng cường trao đổi nhiệt cao khi tốc độ đối lưu lớn hơn Cụ thể khi tăng vận tốc gió thì nhiệt độ bề mặt cấp nhiệt đã giảm đi và đồng thời nhiệt độ không khí ra tăng dần (dù

ta không đo được do thiết bị lỗi)

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

10