Báo Cáo Thí Nghiệm Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt.docx

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG CƠ KHÍ

KHOA NĂNG LƯỢNG NHIỆT

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

Sinh viên thực hiện:Mã số sinh viên:Lớp thí nghiệm:

Giảng viên hướng dẫn:

Nguyễn Hoàng Vũ20193970

Phạm Thái Sơn

Hà Nội, ngày 16 tháng 12 năm 2022

1

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

MÔN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

Bài 1: TĂNG CƯỜNG TRAO ĐỔI NHIỆT SỬ DỤNGTHIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT CÓ CÁNH ( buổi 1)

I Mục đích thí nghiệm

Thí nghiệm về tăng cường trao đổi nhiệt với bộ thí nghiệm HE350 Quá trình làm nguội tự nhiên, làm nguội cưỡng bức của thiết bị trao đổi nhiệt có cánh và không có cánh

II Mô tả thiết bị

Bộ thí nghiệm bao gồm:

 Bộ điều khiển cấp nhiệt cho bộ gia nhiệt

cưỡng bức lớn, quạt nhỏ khi cần chế độ trao đổi nhiệt cưỡng bức nhỏ hoặcđối lưu tự nhiên Mỗi chiếc quạt đều có bộ điều chỉnh riêng.

 Các thiết bị đo tốc độ gió trong kênh dẫn khí và các giá trị nhiệt độ ở nhữngvị trí khác trong bộ thí nghiệm

Mô tả hiện tượng thí nghiệm: Không khí ngoài môi trường có nhiệt độ tair đượcthổi vào kênh dẫn khí có tiết diện là hình chữ nhật, kích thước 170x80 mm Không khí thổi qua bộ gia nhiệt, tăng nhiệt độ lên tới tcontroller Các giá trị hiệt độ, vận tốc được đo đạc và hiển thị trên thiết bị thí nghiệm model HE350)

Hình 1 Bộ thí nghiệm model HE350

III.Trình tự thí nghiệm

Bước 1: Lắp bộ trao đổi nhiệt không có cánh vào vị trí lắp trên kênh dẫn khí Sau

đó cắm dây nguồn và dây cảm biến nhiệt độ và đúng vị trí trên bộ thí nghiệm

Bước 2: Cấp nhiệt cho bộ gia nhiệt và không điều chỉnh quạt gió vận tốc (w=0m/

Bước 3: Ghi lại các kết quả của quá trình đốt nóng (bước thời gian 1-2 phút) Bước 4: Đến khi bộ gia nhiệt tự ngắt (Th>100oC) và ghi lại các kết quả của quá trình làm nguội (bước thời gian 1 phút) – Quá trình làm nguội tự nhiên

Bước 5: Bật lại bộ gia nhiệt và ghi kết quả của quá trình đốt nóng (bước thời

gian 1 phút)

Bước 8: đến khi bộ gia nhiệt tự ngắt, bật quạt với vận tốc gió 6.5 m/s và ghi kết

quả của quá trình làm nguội (bước thời gian 1 phút) đến khi Th gần như không thay đổi- Quá trình làm nguội cưỡng bức

Bước 9: Tắt quạt, thay bộ trao đổi nhiệt vách có cánh phẳng, bật bộ gia nhiệt và

ghi số liệu của quá trình đốt nóng (bước thời gian 1 phút)

Bước 10: khi bộ gia nhiệt tự ngắt , ghi lại các kết quả của quá trình làm nguội

(bước thời gian 1 phút) – Quá trình làm nguội tự nhiên

Bước 11: Tắt quạt, bật bộ gia nhiệt và ghi số liệu của quá trình đốt nóng (bước

thời gian 1 phút)

Bước 12: khi bộ gia nhiệt tự ngắt, bật quạt ở vận tốc gió 5,8m/s và ghi kết quả

của quá trình làm nguội (bước thời gian 1 phút) đến khi Th gần như không thay đổi- Quá trình làm nguội cưỡng bức

Bước 13: Tắt bộ gia nhiệt, tắt quạt, tắt nguồn bộ thí nghiệm, rút dây, tháo bộ trao

đổi nhiệt ra khỏi kênh dẫn.

IV Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu

1.Quá trình đốt nóng và làm nguội tự nhiên có cánh

87,4

45,1

Quá trình làm nguội tự nhiên và cưỡng bức, có cánh

Nguội tự nhiênThời gian Nguội cưỡng bức

Quá trình làm nguội tự nhiên và cưỡng bức, không có cánh

Nguội tự nhiênNguội cưỡng bức

Bài 2 – Xác định lưu lượng môi chất ngưng tụ

I.Mục đích thí nghiệm

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

Thiết bị thí nghiệm

II.Cơ cở lý thuyết

Quá trình ngưng tụ (quá trình ngưng hơi) là quá trình biến trạng thái hơithành 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 bịthí nghiệm.

Khi chúng ta cung cấp nhiệt cho chất lỏng qua bề mặt đun nóng nên chấtlỏng 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 cânbằng các lực tác dụng lên bề mặt bọt hơi Những lực đó là lực ap 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 baoquanh 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 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 đột 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 nênđáng 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 kếtiếp 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 trìnhngưng 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 bềmặt rắn.

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

III.Tiến trính thí nghiệm

Bước 1: Khởi động thiết bị thí nghiệm, đặt thông số thiết bị như hướng dẫn

của giáo viên hương dẫn.

Cụ thể trong bài này ta sẽ làm việc ở chế độ: lưu lượng thể tích nước làm mátV= 2 lít/phút

2 Bước 2: chờ cho thiết bị ổn định rồi ghi lại các số liệu theo bước thời gian

10-15p như nhiệt độ các điểm nút T1, T2, T3, T4, T5, lưu lượng nước V, Công máy nén L và áp suất P.

3 Bước 3: lặp lại bước 2 sau mỗi 15 phút, đến khi các số liệu đã ổn định thì

dừng (sai số giữa các lần đo nằm trong khoảng sai số cho phép) Tham khảo

ý kiến giáo viên hướng Kết quả thí nghiệm & Tính toán

*Kết quả thí nghiệm

T1T2T3T4T5PWthời gian31.330.42828.343200.914h2031.730.428.328.74221114h2332.531.528.729.143211.0214h2632.331.628.329.843201.0114h2932.334.428.128.742191.0114h3232.231.428.127.643191.0114h3532.331.528.128.742181.0114h4032.431.628.128.843.8181.0114h4534.431.628.228.842181.0114h5032.531.728.228.842181.0114h5532.631.728.228.843181.0115h32.631.428.428.443191.0115h0532.631.428.228.942191.0215h1032.731.928.228.942191.0215h1532.731.928.328.442191.0215h2032.731.928.328.942171.0215h2532.731.828.32942171.0215h30

Với Lưu lượng thể tích nước làm mát V= 1 lít/phút

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)P áp suất trong bình

Bài toán tính lượng môi chất ngưng tụ:

Khi thiết bị đã hoạt động ổn định chọn các thông sốP= 1.01 bar

T3= 28.3 oCT4= 29 oC

Bỏ qua tổn thất nhiệt, lượng nhiệt nước làm mát lấy đi = lượng nhiệt môi chất hóa hơi tỏa ra

Sử dụng web ethermo.us Tra thông số vật lý của nước chưa sôi R718 ở nhiệt đột nước = 28.65 oC và p =1 bar

Tra thông số vật lý của môi chất R141b ở áp suất bão hòa p= 1.01 bar ta đượcNhiệt ẩn biến đổi pha r = 236.5557 kJ/kg

khối lượng riêng ρR 141b=1220.2222kg /m3

Với Lưu lượng thể tích nước làm mát V= 2.5 lít/phút

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)P áp suất trong bình

Bài toán tính lượng môi chất ngưng tụ:

Khi thiết bị đã hoạt động ổn định chọn các thông sốP= 1 bar

T3= 28.5 oCT4= 29.2 oC

Bỏ qua tổn thất nhiệt, lượng nhiệt nước làm mát lấy đi = lượng nhiệt môi chất hóa hơi tỏa ra

Sử dụng web ethermo.us Tra thông số vật lý của nước chưa sôi R718 ở nhiệt đột nước = 28.85 oC và p =1 bar

ta được

Nhiệt dung riêng đẳng áp Cp = 4.1801 (kJ/kgK)khối lượng riêng của nước ρnước=995.9475 kg/m3

Vnước=2.5 lít/phút

 Lưu lượng khối lượng nước làm mátG nước= V ρ60 =2.5 10−3 995.9475

 G nước =0.0414978 kg/s

Q= Gnước.Cp.(T4 - T3) =0.0414978 4,1801 (29.2 – 28.5) = 0.029048 kJ/s+) Lưu lượng thể tích môi chất ngưng tụ:

Tra thông số vật lý của môi chất R141b ở áp suất bão hòa p= 1 bar ta đượcNhiệt ẩn biến đổi pha r = 222.8856 kJ/kg

khối lượng riêng ρR 141b=1220.7774 kg /m3Q= Gnước.Cp.(T4 - T3) = G R141b r

- Qua nghiên cứu quá trình ngưng tụ của môi chất, ta nhận thấy quá trình ngưng tụcủa môi chất diễn ra trong thực tế là rất phức tạp Trong quá trình ngưng tụ có sựchuyển động của dòng hai pha và quá trình chuyển đổi pha từ pha hơi sang phalỏng nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, cho nên việc nghiên cứu quá trình ngưng tụ cóý nghĩa rất thực tế, giúp chúng ta xác định được các điều kiện xảy ra của quá trìnhngưng tụ, các yếu tố ảnh hưởng, từ đó chúng ta sẽ có sự tính toán, thiết kế, bố trícác bề mặt trao đổi nhiệt sao cho hợp lý, góp phần đáng kể vào việc nâng cao hiệuquả trao đổi nhiệt, giảm chi phí đầu tư, từ đó dẫn đến giảm giá thành sản phẩm.

Bài 3:TĂNG CƯỜNG TRAO ĐỔI NHIỆT SỬ DỤNG

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT CÓ CÁNH SỬ DỤNG QUẠT GIÓ VÀĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LÀM NGUỘI

Bộ nguồn chính

Bộ điều khiển cấp nhiệt cho bộ gia nhiệt

Hai chiếc quạt: Quạt to được sử dụng khi cần chế độ trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức lớn, quạt nhỏ khi cần chế độ trao đổi nhiệt cưỡng bức nhỏ hoặc đối lưu tự nhiên Mỗi chiếc quạt đều có bộ điều chỉnh riêng.

Các thiết bị đo tốc độ gió trong kênh dẫn khí và các giá trị nhiệt độ ở những vị trí khác trong bộ thí nghiệm

Mô tả hiện tượng thí nghiệm: Không khí ngoài môi trường có nhiệt độ tair được thổivào kênh dẫn khí có tiết diện là hình chữ nhật, kích thước 170x80 mm Không khí thổi qua bộ gia nhiệt, tăng nhiệt độ lên tới tcontroller Các giá trị nhiệt độ, vận tốc đượcđo đạc và hiển thị trên thiết bị thí nghiệm model HE350)

III.Trình tự thí nghiệm

Bước 1: Lắp bộ trao đổi nhiệt có cánh vào vị trí lắp trên kênh dẫn khí Sau đó cắm

dây nguồn và dây cảm biến nhiệt độ và đúng vị trí trên bộ thí nghiệm

Bước 2: Cấp nhiệt cho bộ gia nhiệt và không bật quạt gió

Bước 3: Ghi lại các kết quả của quá trình đốt nóng (bước thời gian 1-2 phút) Bước 4: Đến khi bộ gia nhiệt tự ngắt (Th>100oC) và ghi lại các kết quả của quá trình làm nguội (bước thời gian 1 phút) – Quá trình làm nguội tự nhiên của thiết bị TĐN không có cánh

Bước 5: Bật lại bộ gia nhiệt và ghi kết quả của quá trình đốt nóng (bước thời gian

1 phút)

Bước 8: đến khi bộ gia nhiệt tự ngắt, bật quạt với tần số 39,8 Hz và ghi kết quả của

quá trình làm nguội (bước thời gian 1 phút) đến khi Th gần như không thay đổi- Quá trình làm nguội cưỡng bức

Bước 9: lặp lại từ bước 2 đến bước 8, thay tần số quạt lần lượt là 70Hz, 15HzBước 10: Tắt bộ gia nhiệt, tắt quạt, tắt nguồn bộ thí nghiệm, rút dây, tháo bộ trao

đổi nhiệt ra khỏi kênh dẫn.

Chú thích

T h: Nhiệt độ bề mặt tấm trao đổi nhiệt

T1, T2, T3 nhiệt độ tại vị trí gốc cánh, thân cánh và đỉnh cánh của thiết bị trao đổi nhiệt có cánh

T air: nhiệt độ không khí

Δt càng tăng thì tốc đột : thời gian đốt nóng, làm nguội (phút)P: Công suất bộ gia nhiệt

IV.Bảng kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu

1.Quá trình đốt nóng, làm nguội tự nhiên thiết bị TĐN có cánh trụ.

bảng 5 Nung nóng

- Tốc độ giảm nhiệt độ bề mặt của trường hợp quạt 70Hz là tốt nhất

- Khi nhiệt độ ổn định thì trường hợp quạt ở 11 Hz lại cho nhiệt độ bề mặt tấm traođổi nhiệt thấp hơn