báo cáo thí nghiệm môn thiết bị trao đổi nhiệt bài 1 thiết bị trao đổi nhiệt khi dòng chuyển động ngang qua chùm ống

Xác định hệ số trao đổi nhiệt của các hang ống để thấy sự khác nhau của hệ số trao đổi nhiệt ở hang ống thứ nhất và các hàng ống tiếp theo.II.Mô tả thiết bịII.1.Tổng quan thiết bịTổng qu

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trường cơ khí Khoa năng lượng nhiệt

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

Giảng viên hướng dẫn: Phạm Thái Sơn

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trinh

MSSV: 20214836

Mã lớp: 735352

Học kì: 20231

Hà Nội, 1/2024

Bài 1: Thiết bị trao đổi nhiệt khi dòng chuyển động

ngang qua chùm ống

I Mục đích thí nghiệm

Truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức khi dòng chuyển động ngang qua chùm ống Xác định hệ số trao đổi nhiệt của các hang ống để thấy sự khác nhau của hệ số trao đổi nhiệt ở hang ống thứ nhất và các hàng ống tiếp theo

II Mô tả thiết bị

II.1 Tổng quan thiết bị

Tổng quan thiết bị

Thiết bị gia nhiệt dạng ống trụ tròn

Bảng hiển thị của thiết bị trao đổi nhiệt

II.2 Cơ sở lý thuyết

Trong kỹ thuật, các thiết bị trao đổi nhiệt thường gốm nhiều ống Các ống được bố trí sắp xếp theo một cách nhất định, thông thường có hai cách bố trí là kiểu bố trí song song hoặc bố trí so le

Do ảnh hưởng hưởng qua lại giữa các ống, đặc tính chuyển động của chất lỏng hay chất khí qua chum ống khác nhiều so với trường hợp chảy qua một ống

Các bước ống ngang b, bước ống dọc a và đường kính ống d sẽ quyết định đặc tính chuyển động, vì vậy nó là những đại lượng đặc trưng của chum ống

Đối với chum ống song song, đặc tính bao của chất lỏng ở dãy thứ nhất như ống đơn Nhưng từ dãy ống thứ hai trở đi thì phần trước và phần sau của các ống đều nằm trong vùng xoáy của các dãy ống trước nó và không bị va đập của dòng chảy

Đối với chum ống so lo, đặc tính chuyển động của dãy ống thứu nhất giống như ống đơn, các dãy sau nó chịu va đập của dòng chảy gần nhau

Do ảnh hưởng qua lại giữa các dãy ống mà ở chum ống, hệ số tỏa nhiệt của dãy ống thứu hai sẽ lớn hơn dãy ống thứ ba sẽ lớn hơn dãy ống thứu hai, nói chung hệ số tỏa nhiệt từ dãy ống thứ ba sẽ trở đi là ổn định

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống có cánh Về mặt công nghệ, cách thường được

gắn phía ngoài ống, trong đó không khí chuyển động cắt ngang hoặc dọc theo bề mặt ngoài ống có cánh Về mặt truyền nhiệt, cánh được gắn về phía

có hệ số tỏa nhiệt nhỏ (không khí, khói…) do môi chất chuyển động trong ống là chất lỏng hoặc hơi nên có hệ số tỏa nhiệt lớn hơn nhiều hệ số tỏa nhiệt của chất khí đi bên ngoài ống

III Trình tự thí nghiệm

Bước 1: Lắp bộ trao đổi nhiệt vào vị trí lắp trên kênh dẫn khí Có 2 bộ là trao đổi nhiệt vách phẳng và vách có cánh Sau đó cắm dây nguồn và dây cảm biến nhiệt độ và đúng vị trí trên bộ thí nghiệm

Bước 2: Bật công tắc bộ nguồn, chưa cấp nhiệt cho bộ gia nhiệt, để quạt gió thổi một lúc (loại bỏ hết lượng nhiệt vẫn còn từ các lớp thí nghiệm trước) Sau

đó tắt quạt, khởi động lại bộ thí nghiệm;

Bước 3: Cấp nhiệt cho bộ gia nhiệt và không điều chỉnh quạt gió vận tốc (w=0m/s)

Bước 4: Ghi lại các kết quả của quá trình đốt nóng (bước thời gian 2 phút) Bước 5: Tắt bộ gia nhiệt và ghi lại các kết quả của quá trình làm nguội (bước thời gian 2 phút)

Bước 6: Bật lại bộ gia nhiệt và ghi kết quả của quá trình đốt nóng (bước thời gian 2 phút)

Bước 7: Vẫn bật Heater nhưng giảm bước thời gian còn 1 phút và ghi kết quả Bước 8: Tắt Heater, bật quạt với vận tốc gió 2 m/s và ghi kết quả của quá trình làm nguội (bước thời gian 1 phút)

Bước 9: Tắt quạt, thay bộ trao đổi nhiệt vách có cánh, bật Heater và ghi số liệu của quá trình đốt nóng (bước thời gian 2 phút)

Bước 10: Làm tương tự Bước 3 tới Bước 8

Bước 11: 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

IV.1 Kết quả thí nghiệm

Nung nóng bộ trao đổi nhiệt có cánh là trụ tròn Thời gian (min) T h ( ) ℃) T kk ( ) ℃) v kk ( ) ℃) P(W)

9 74.3 29.5 0.4 87.5

Làm nguội không có quạt với bộ trao đổi nhiệt là trụ tròn Thời gian (min) T h ( ) ℃) T kk ( ) ℃) v kk ( ) ℃) P(W)

Làm nguội có quạt với tần số=11.61hz Thời gian

(min)

T h ( ) ℃) T kk ( ) ℃) v kk ( ) ℃)

8 35.5 26.2 3.1

Làm nguội có quạt với tần số=31.58hz Thời gian

(min)

T h ( ) ℃) T kk ( ) ℃) v kk ( ) ℃)

Nung nóng bộ trao đổi nhiệt không cánh Thời gian (min) T h ( ) ℃) T kk ( ) ℃) v kk ( ) ℃) P(W)

Làm nguội không có quạt Thời gian

(min)

T h ( ) ℃) T kk ( ) ℃) v kk ( ) ℃)

4 90.6 26.2 0

Làm nguội có quạt với tần số=11.67hz Thời gian

(min)

T h ( ) ℃) T kk ( ) ℃) v kk ( ) ℃)

21 29.9 25.8 3.2

Làm nguội có quạt với tần số=29.92hz Thời gian

(min)

T h ( ) ℃) T kk ( ) ℃) v kk ( ) ℃)

IV.2 Xử lý số liệu

Ta so sánh các thông số lại với nhau giữa tản nhiệt có cánh và tản nhiệt không có cánh bằng các đồ thị:

0 5 10 15 20 25 30 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Tốc độ tản nhiệt

ΔTtnccTtncc ΔTtnccTtnkc thời gian

0

20

40

60

80

100

120

So sánh tốc độ tản nhiệt tự nhiên

Ttncc Thời gianTtnkc ΔTtnccTtncc ΔTtnccTtnkc

0 5 10 15 20 25 30 0

20

40

60

80

100

120

So sánh tốc độ tản nhiệt cưỡng bức có quạt với tần số thấp

Tcbkc Tcbcc ΔTtnccTcbkc ΔTtnccTcbcc

Thời gian (min)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Tốc độ tản nhiệt khi có quạt với tần số thấp

ΔTtnccTcbkc ΔTtnccTcbcc Thời gian

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0

20

40

60

80

100

120

So sánh tốc độ tản nhiệt cưỡng bức có quạt với tần số cao

Tcbkc Tcbcc ΔTtnccTcbkc ΔTtnccTcbcc

Thời gian(min)

0

5

10

15

20

25

30

Tốc độ tản nhiệt khi có quạt với tần số cao

ΔTtnccTcbkc ΔTtnccTcbkc2 Thời gian

4.3 Nhận Xét

 Tản nhiệt cưỡng bức không cánh có hiệu quả hơn tản nhiệt tự nhiên không cánh rất nhiều khi tản nhiệt tự nhiên giảm từ 100 =>60,5 mất khoảng thời gian là 24 phút thì đối với tản nhiệt cưỡng bức con số này là gần 5 phút

 Tản nhiệt cưỡng bức có cánh có hiệu quả hơn tản nhiệt tự nhiên có cánh rất nhiều khi tản nhiệt tự nhiên cần 10 phút để từ 81,8 độ về 54,9 độ trong khi với khoảng thời gian trên tản nhiệt cưỡng bức có cánh giảm từ 82.6 độ về 26 độ

 Tốc độ tản nhiệt có cánh luôn cao hơn tốc độ tản nhiệt không cánh

 Ban đầu khi Th cao, tốc độ tản nhiệt cao, khi Th giảm dần thì tốc độ tản nhiệt cũng giảm dần Đó là khi nhiệt độ Th gần mới Tf hơn nên độ chênh nhiệt nhỏ dẫn tới tốc độ tản nhiệt cũng giảm đi

 Đối với thiết bị tản nhiệt có cánh, ta nhận thấy trong quá trình tản nhiệt, nhiệt độ tại cánh luôn nhỏ hơn nhiệt độ Th từ đó ta có thể suy ra nhiệt được trao đổi tích cực nhất ở phần cánh

 Với kết quả thu được từ nhí nghiệm ta thấy được khi tăng tần số quay của quạt thì tốc

độ tản nhiệt sẽ tang theo

 Nhiệt ở cánh luôn thấp hơn Th có nghĩa là tản nhiệt ở cánh tốt hơn ở bề mặt

Bài 2: Thiết bị trao đổi nhiệt khi sôi

I Mục đích thí nghiệm

Thiết bị trao đổi nhiệt khi sôi được thiết kế để giúp sinh viên hiểu được các khái niệm chung nhất như :diện tích trao đổi nhiệt, đặc biệt các quá trình sôi, bay hơi và ngưng tụ

II 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

2 Bình trao đổi nhiệt

3 Bình chứa môi chất

4 Bộ gia nhiệt bề mặt

5 Cặp nhiệt 1

6 Cặp nhiệt 2

Mô tả hoạt động:

Môi chất R141b được chứa trong bình chứa và được đưa vào bình trao đổi nhiệt thông qua một van chặn Môi chất được cấp nhiệt bởi bộ gia nhiệt bề mặt và xảy ra quá trình bay hơi trong bình trao đổi nhiệt Hơi môi chất bay lên được ngưng tụ lại thông qua một thiết bị ngưng tụ Quá trình này tỏa cho nước một lượng nhiệt làm nhiệt độ của nước tăng lên

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 = tT – ts

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

Khi Δt bé (Δt < 5oC), các bọt hơi nhỏ li ti bắt đầu xuất hiện trên bề 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 > 5oC, việc tăng Δt gây ảnh hưởng rõ rệt đến việc tăng α và 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 sửi 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

Khởi động thiết bị thí nghiệm, đặt thông số thiết bị ban đầu vơi lưu lượng nước làm mát

là 2 l/phút và công suất đốt nóng thiết bị đốt nóng là 12 W

Với hơn 109 phút đo đạc thực nhiệm, ta thu được 1 bộ số liệu ổn định

nhất của quá trình như sau:

Nhiệt độ môi chất lỏng T1 45,2 ℃) Nhiệt độ môi chất hơi T2 28,1℃) Nhiệt độ nước làm mát vào T3 21,4 ℃) Nhiệt độ nước làm mát ra T4 21,8 ℃) Nhiệt độ bộ gia nhiệt T5 63 ℃)

Áp suất trong bình P1 = 1.56 Công suất bộ gia nhiệt 12 w

- Nhiệt lượng nước làm mát lấy đi: Qc = Gc Cp (T4 – T3)

Nhiệt độ trung bình của nước làm mát để tính, nhiệt độ ban đầu của nước là 19,5 , nhiệt đô cuối cùng là 21,8℃) :

ttb =20.65 (℃))

Cp = 4,181 (kJ/kgK) và lưu lượng khối lượng nước làm mát Gc= 0,033 (kg/s) Vậy ta có: Qc = 0,033 4,181 (21,8-21,4) = 0,0552 (kW)

Tra bảng thông số nhiệt động của môi chất lạnh R141b ở theo áp suất ta có các nhiệt ẩn hóa hơi của môi chất lạnh là:

r = 216.3584 (kJ/kg)

Ta có nhiệt lượng nước làm mát bằng nhiệt lượng ngưng tụ của môi chất nên ta

áp dụng phương trình cân bằng nhiệt:

Gh r = Gc Cp (T4-T3)

 Gh =2,55.10-4(kg/s)

Tra thông số có mật độ lỏng của R141b là 1194.3452 kg/m3 nên lưu lượng ngưng tụ của R141b = 2,55.10-4 1194.3452 = 0,3 (ml/s)

Vậy lưu lượng ngưng tụ của R141b là 0,3 (ml/s)