báo cáo thí nghiệm môn thiết bị trao đổi nhiệt

Mục đích thí nghiệmXác định lượng nhiệt nước làm mát nhận được trong quá trình trao đổi nhiệt làm mát môi chất R141B trong bộ thiết bị trao đổi kiểu sôi.2.. Đây là quá trình chuyển pha,

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG CƠ KHÍ KHOA NĂNG LƯỢNG NHIỆT

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

Họ và tên sinh viên thực hiện: Phạm Văn Mạnh

MSSV: 20162668

Mã lớp thí nghiệm: 716628

Lớp: Kĩ thuật nhiệt 02-K61

Người hướng dẫn: TS Phạm Thái Sơn

Hà Nội, tháng 06 năm 2022

Bài 1: Xác định lượng nhiệt nước giải nhiệt lấy đi

1 Mục đích thí nghiệm

Xác định lượng nhiệt nước làm mát nhận được trong quá trình trao đổi nhiệt làm mát môi chất R141B trong bộ thiết bị trao đổi kiểu sôi

2 Cơ sở lý thuyết

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 sinh hơi thì quá trình sôi của chất lỏng được hình thành Trên bề mặt đun nóng tại những tâm sinh hơi, giọt nước sẽ nhận nhiệt hóa 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 3

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

2

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 sinh 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

Môi chất R141B trong bình chứa được đưa vào bình trao đổi nhiệt qua một van chặn Lượng môi chất chiếm khoảng 1/3 thể tích bình Nước làm mát trước khi đi vào bình được qua một thiết bị điều chỉnh lưu lượng Trong bình, nước làm mát đi trong một đường ống dạng xoắn Các đại lượng đo nhiệt độ,

áp suất hơi trong bình, công suất bộ gia nhiệt được thể hiện trong hình vẽ minh họa sau đây

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

3 Các bước tiến hành thí nghiệm

Khởi động thiết bị thí nghiệm, giáo viên hướng dẫn đặt các thông số như là lưu lượng nước làm mát, công suất bộ gia nhiệt để cấp nhiệt cho môi chất R141B trong bình

Ghi lại các số liệu nhiệt độ, áp suất hơi trong bình, công suất bộ gia nhiệt mỗi lần cách nhau 3 phút

4 Kết quả thí nghiệm và tính toán

Lưu lượng nước làm mát đặt là V = 2,5 ( l/phút ) = 4,167 (m3/s) 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)

4

T5 – Nhiệt độ bề mặt đốt nóng (Heat Surface Temperature) Sau khi tiến hành thí nghiệm, ta thu được bảng số liệu như sau:

Thời

gian

T1

(oC)

T2

( C)o

T3

(oC)

T4

( C)o

T5

(oC)

P (bar)

Q (W)

87 40.3 26.6 23.6 24 60 1.26 9.5

Từ bảng số liệu thu thập được sau khi thí nghiệm, để xác định lượng nhiệt mà nước làm mát lấy đi ta sẽ áp dụng công thức:

Trong đó, G (kg/s)– là lưu lượng khổi lượng của nước làm mát, bằng tích của lưu lượng thể tích và khối lượng riêng G = V.ρ

Cp (kJ/kg.K)– là nhiệt dung riêng khổi lượng đẳng áp của nước Hai giá trị ρ và C được xác định nhờ vào nhiệt độ T là trung bình của p tb

T3 và T và áp suất P đo được ở mỗi lần đo Sau khi tham khảo trên website 4

http://www.ethermo.us/ShowDetail48.htm, tra thông số vật lý của nước và tính toán theo công thức phía trên, ta xác định được lượng nhiệt mà nước làm mát nhận được như sau:X

XThời

gian

T3

(oC)

T4

(oC)

Ttb

( C)o

Cp

(kJ/kgK)

ρ (kg/m )3

Q (kW)

4

0.41696 1

8

0.38217 6

4

0.38216 6

7

0.43426 4

7

0.43426 4

7

0.43426 4

6

9 8

9

0.45162 8

9

0.48636 9

7

0.50374 6

2

0.46899 3

4

0.48634 5

5

0.46896 9

4

0.48634 5

5

0.46896 9

5

0.46896 9

7

0.48633 2

8

0.50369 5

8

0.50369 5

8

0.50369 5

6

1

0.50365 7

1 7

1

0.50365 7

1

0.50365 7

8

0.53843 2

7 0.52107

3

7 0.52107

5 Nhận xét

Nhìn chung nước làm mát nhận nhiệt tăng dần theo thời gian Đôi lúc

có sự tăng giảm nhỏ do tổn thất nhiệt, sai số thiết bị trong quá trình làm thí nghiệm Đến một ngưỡng Q = Qmax thì Q hầu như không tăng nữa, chỉ dao động nhỏ quanh giá trị đó Điều này chứng tỏ ở một lưu lượng cố định thì nước làm mát sẽ lấy đi một lượng nhiệt nhất định nào đó, muốn tăng nhanh quá trình làm mát để ngưng tụ môi chất thì cần phải tăng lưu lượng nước và ngược lại

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 hợp lý, góp

8

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 tụ trong thiết bị trao

đổi nhiệt kiểu sôi

1 Mục đích thí nghiệm

Xác định lưu lượng môi chất lạnh R141B ngưng trên bề mặt của thiết

bị thí nghiệm trao đổi nhiệt kiểu ống xoắn

2 Cơ sở lý thuyết

Khi nhiệt độ và áp suất lớn hơn giá trị tương ứng ở điểm 3 thể thì quá trình chuyển pha nếu có là quá trình chuyển từ lỏng sang hơi và từ hơi sang lỏng Quá trình chuyển từ lỏng sang hơi xảy ra trong khối chất được gọi là quá trình sôi Quá trình chuyển từ hơi sang lỏng được gọi là quá trình ngưng

tụ Lượng nhiệt nhận được trong quá trình sôi cho 1 đơn vị đo lường chất là nhiệt ẩn hóa hơi Nhiệt thải ra trong quá trình ngưng tụ cho 1 đơn vị đo lường chất là nhiệt ẩn ngưng tụ Trong nhiệt động kỹ thuật, nhiệt ẩn ngưng tụ và

nhiệt ẩn hóa hơi có giá trị bằng nhau Các quá trình này xảy ra ở nhiệt độ bão hòa (còn gọi là nhiệt độ sôi ứng với quá trình sôi hoặc nhiệt độ ngưng tụ với quá trình ngưng tụ Nhiệt độ bão hòa ký hiệu là ) tương ứng với T s áp suất bão hòa (còn gọi là áp suất sôi ứng với quá trình sôi hoặc áp suất ngưng tụ

ứng với quá trình ngưng tụ Áp suất bão hòa ký hiệu là ) của các quá trình p s

đó Trong quá trình sôi và ngưng tụ, nhiệt độ và áp suất không đổi Khi hơi đang ở trạng thái bão hòa gặp bề mặt nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi, hơi sẽ bắt đầu quá trình ngưng tụ

3 Mô tả thiết bị và cách thức tiến hành thí nghiệm

Thiết bị trong buổi thí nghiệm này là thiết bị trong bài 1 đã được giới thiệu ở phần trước

10

Bắt đầu thí nghiệm, giáo viên khởi động thiết bị, đặt lưu lượng nước làm mát, công suất bộ gia nhiệt để đun sôi môi chất R141B trong bình Sinh viên quan sát và ghi lại số liệu mỗi 5 phút 1 lần

4 Kết quả thí nghiệm và tính toán

Thông số ban đầu:

Lưu lượng thể tích V = 2,5 (l/phút) = 4.167.10-5 (m /s)3

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)

Thời

gian

T1

(oC)

T2

( C)o

T3

(oC)

T4

( C)o

T5

(oC)

P (bar)

Q (W)

Tăng lưu lượng nước làm mát lên thành V= 3 (l/phút) = 5.10 (m/s)

Thời

gian

T1

(oC)

T2

(oC)

T3

(oC)

T4

(oC)

T5

(oC)

P (bar)

Q (W)

Để xác định lượng hơi R141B ngưng tụ trong thí nghiệm ta áp dụng phương trình cân bằng nhiệt Ở đây nhiệt lượng mà hơi R141B thải ra để ngưng tụ sẽ bằng với lượng nhiệt mà nước làm mát nhận vào khi mà bỏ qua tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường Gọi Q1, Q2 lần lượt là nhiệt lượng R141B nhả ra và nước làm mát nhận vào thì

Để xác định Q thì chính là mục đích của bài thí nghiệm 1 nên các bước2

tính toán và công thức ta xem lại phần bài thí nghiệm 1 phía trên

Sau khi đã có Q = Q , ta không thể áp dụng công thức Q = G.C Δt 1 2 p

được bởi vì quá trình trao đổi nhiệt của R141B là có sự biến đổi pha Ta sẽ áp dụng công thức

.

Q G r

Trong đó r là nhiệt ẩn ngưng tụ của R141B Nhiệt ẩn ngưng tụ r ta xác định được nhờ vào áp suất hơi bão hòa trong bình thí nghiệm Dưới đây là kết quả sau khi tính toán được

12

Bảng số liệu tính toán cho trường hợp lưu lượng nước làm mát 2.5 (l/phút)

Bảng số liệu tính toán cho trường hợp lưu lượng nước làm mát 3 (l/phút)

5 Nhận xét

Lượng hơi ngưng tụ phụ thuộc vào áp suất, vào nhiệt độ và lưu lượng nước làm mát Khi bắt đầu thí nghiệm lượng hơi ngưng tụ liên tục tăng, khi hệ thống hoạt động ổn định thì lượng hơi ngưng tụ dường như không thay đổi mấy Khi tăng lưu lượng nước làm mát lên thì lượng hơi ngưng tụ tăng nhưng tăng đến một giá trị cực đại thì sẽ ngừng lại bởi vì còn phụ thuộc vào công suất của bộ gia nhiệt

Bài 3: Xem xét sự ảnh hưởng của các chế độ trao đổi nhiệt đối lưu khác nhau tới thiết bị trao đổi nhiệt

1 Mục đích thí nghiệm

Xem xét, đánh giá giữa trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức sử dụng quạt trong thiết bị trao đổi nhiệt kiểu dòng chảy cắt nhau

2 Cơ sở lý thuyết

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 = k.F.∆ �

Trong đó: k: hệ số truyền nhiệt (W/m K) 2

F: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m )2

∆�: độ chênh nhiệt độ (K)

3 Cách thức tiến hành thí nghiệm

Giáo viên khởi động thiết bị Ban đầu chạy chế độ đốt nóng, sinh viên thu thập số liệu với bước thời gian 3 phút mỗi lần

Sau đó giáo viên tắt bộ gia nhiệt, hệ thống chạy độ làm nguội bằng đối lưu tự nhiên Lấy số liệu bước thời gian 3 phút mỗi lần

Khi nhiệt độ bộ gia nhiệt đạt bằng trạng thái đầu tiên lúc bắt đầu bắt đầu thí nghiệm thì giáo viên lại bật heater để làm nóng cho đến khi đạt được

14

nhiệt độ tương đồng với lần cuối quá trình đốt nóng Việc làm này nhằm mục đích để so sánh tốc độ trao đổi nhiệt giữa các quá trình khác nhau Lần này lấy bước thời gian là 5 phút nhưng sau đó khi gần đạt giá trị nhiệt độ cần thiết thì giảm bước thời gian xuống còn 1 phút

Lại tiếp tục tắt heater nhưng lần này sẽ bật thêm quạt chạy ở tốc độ cao

để tạo ra trường hợp trao đổi nhiệt đối lưu có cưỡng bức Lấy bước thời gian

1 phút rồi gần về cuối lấy 2 phút để đạt nhiệt độ cần thiết thì lại bật heater Lặp lại quá trình này lần nữa sau đó cuối cùng là tắt heater và bật quạt ở tốc

độ thấp hơn

4 Kết quả thí nghiệm và phân tích số liệu

Sau khi tiến hành tuần tự từng bước nêu trên ta thu được một bảng số liệu sau Trong đó

Th – nhiệt độ heater

T2 – nhiệt độ vị trí giữa cánh tản nhiệt

T3 – nhiệt độ vị trí đỉnh cánh tản nhiệt

Tkk – nhiệt độ không khí được gia nhiệt sau khi đi qua thiết bị

P – công suất bộ gia nhiệt heater

ω – tốc độ không khí ở cửa vào thiết bị

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Đồồ th s ph thu c vào th i gian c a Th các chếế đ làm ngu i khác nhau ị ự ụ ộ ờ ủ ở ộ ộ

Làm ngu i bằằng đốối l u t nhiên ộ ư ự Làm ngu i c ng b c tốốc đ gió cao ộ ưỡ ứ ở ộ

Làm ngu i c ng b c tốốc đ gió thấốp ộ ưỡ ứ ở ộ

Th i gian (phút) ờ

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Đồồ th s ph thu c vào th i gian c a T2 các chếế đ làm ngu i khác nhau ị ự ụ ộ ờ ủ ở ộ ộ

Làm ngu i đốối l u t nhiên ộ ư ự Làm ngu i đốối l u c ng b c tốốc đ gió cao ộ ư ưỡ ứ ở ộ Làm ngu i đốối l u c ng b c tốốc đ gió thấốp ộ ư ưỡ ứ ở ộ

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Đồ thị sự phụ thuộc vào thời gian của T3 ở các chế độ làm nguội khác nhau

Làm ngu i đốối l u t nhiên ộ ư ự Làm ngu i c ng b c tốốc ộ ưỡ ứ ở

đ gió cao ộ Làm ngu c ng b c tốốc đ ộ ưỡ ứ ở ộ gió thấốp

Th i gian (phút) ờ

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Làm ngu i đốối l u t nhiên ộ ư ư Làm ngu i đốối l u c ộ ư ưỡ ng b c ứ ở tốốc đ gió cao ộ

Làm ngu i đốối l u c ộ ư ưỡ ng b c ứ ở tốốc đ gió thấốp ộ

Th i gian (phút) ờ

18

5 Nhận xét

Từ bảng số liệu và đồ thị sự phụ thuộc nhiệt độ theo thời gian của các chế độ khác nhau, ta nhận thấy đối lưu cưỡng bức trao đổi nhiệt tốt hơn so với đối lưu tự nhiên Càng tăng tốc độ gió thì trao đổi nhiệt càng tốt, cụ thể ở đây

là rút ngắn thời gian làm nguội đáng kể so với để vật tự nguội dựa vào đối lưu

tự nhiên