xác định hệ số dẫn nhiệt của một số loại củ quả thực phẩm bằng phương pháp nguồn đường

XÁC ĐỊNH HỆ SỐ DẪN NHIỆT CỦA MỘT SỐ LOẠI CỦ, QUẢ THỰC PHẨM BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGUỒN ĐƯỜNGMục đích: Bằng thí nghiệm minh họa quá trình dẫn nhiệt ổn định đồng thời định hệ số dẫn nhiệt theo

TRƯỜ NG Đ Ạ Ọ Ộ

TRƯỜNG CƠ KHÍ KHOA NĂNG LƯỢNG NHIỆT

XÁC ĐỊNH HỆ SỐ DẪN NHIỆT CỦA MỘT SỐ LOẠI CỦ , QUẢ THỰC PHẨM BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGUỒN ĐƯỜNG

Mục đích: Bằng thí nghiệm minh họa quá trình dẫn nhiệt ổn định đồng thời định hệ số dẫn nhiệt theo phương pháp nguồn đường

Cơ sở lý thuyết

Lý thuyết nguồn đường

Việc xác định hệ số dẫn nhiệt bằng phương pháp đo không ổn định sử dụng nguồn nhiệt dạng đường do một dây dẫn có dòng điện chạy qua sinh ra được đặt trong không gian rộng vô hạn Trong trường hợp này nhiệt được truyền theo không gian hình trụ do vậy chọn hệ tọa độ trụ với nguồn nhiệt nằm trên trục z để biểu diễn quá trình dẫn nhiệt như ình 1 Trường nhiệt độ trong lớp vật liệu được biểu diễn là hàm của bán kính và thời gian, t=t(r,τ)

ình 1: Dẫn nhiệt 1 chiều qua vách phẳngPhương trình vi phân dẫn nhiệt mô tả quá trình dẫn nhiệt bên trong lớp vật liệu được biểu diễn như

𝜕𝑡

𝜕𝜏 = 𝑎 (𝜕

2𝑡

𝜕𝑟2+1𝑟𝜕𝑡𝜕𝑟)Trong đó:

𝜆 : Hệ số dẫn nhiệt, [W/mK]

: Mật độ dòng nhiệt, [W/m

Điều kiện ban đầu của quá trình dẫn nhiệt:

𝑡(𝑟, 𝜏 = 0 = 𝑡) 0

Đặ 𝜃 = 𝑡 − 𝑡0là nhiệt độ thừa bên trong vật so với nhiệt độ ban đầu 𝑡0

Sử dụng phương pháp biến đổi Laplace đưa bài toán vi phân đạo hàm riêng (1) về bài toán vi phân đạo hàm thường trong miền ảnh Sau khi giải bài toán vi phân đạo hàm thường trên miền ảnh, nghiệm của phương trình vi phân đạo hàm thường sẽ được chuyển về không gian thực bằng phép biến đổi Laplace ngược Ta sẽ đưa ra và sử dụng nghiệm của bài toán trong không gian thực

𝜃 =4𝜋𝜆 [𝑙𝑛 (𝑞𝑙 4𝑎𝜏𝛾𝑟2) +1.1! (1 4𝑎𝜏) −𝑟2 2.2! (1 4𝑎𝜏)𝑟2 2+ ]Trong đó:

𝛾 = 1.78107 ln(𝛾) = 0.5772 là hằng số Euler

𝑞𝑙= 2 𝑞𝜋𝑅 𝐹là mật độ dòng nhiệt trên một đơn vị chiều dài của nguồn nhiệt đường,

𝑟 2

4𝑎𝜏rất nhỏ, nghiệm của bài toán hoàn toàn có thể bỏ qua các số hạng sau của chuỗi

(2) mà không mắc phải sai số đáng kể, khi đó:

𝜃 =4𝜋𝜆 𝑙𝑛 (𝑞𝑙 4𝑎𝜏𝛾𝑟2)Biến thiên nhiệt độ tại 2 thời điểm 𝜏1 𝜏2ở vị trí có bán kính r, hiệu của nhiệt độ tại hai thời điểm này được xác định theo công thức

∆𝑡 = 𝑡 − 𝑡2 1= 𝜃2− 𝜃1=4𝜋𝜆 𝑙𝑛 (𝑞𝑙 𝜏2

𝜏1)Như vậy, hệ số dẫn nhiệt có thể được xác định trực tiếp qua công thức:

𝜆 =4𝜋(𝑡𝑞𝑙

2− 𝑡1) 𝑙𝑛 (𝜏𝜏12)Phương trình (5) này chính là cơ sởđểxác đị ệ ố ẫ ệ 𝜆theo phương pháp nguồn đường – “que thăm”

ự ế ệ ủ ệt độ∆𝑡được vẽ theo 𝑙𝑛(𝜏)như một đường thẳng và độ dốc của đường thẳng đó thu được bằng phương pháp bình phương tối thiểu từ dữ liệu thực nghiệm

𝑄 = 𝑈𝐼Mật độ dòng nhiệt theo chiều dài của nguồn nhiệt đường được xác định theo công thức:

𝑞𝑙=𝑄𝑙

Tính toán hệ số dẫn nhiệt một số loại thực phẩm

Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm phụ thuộc vào các yếu tố như thành phần, cấu trúc và nhiệt độ Nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất sử dụng các mô hình dẫn nhiệt song song và vuông góc (hoặc chuỗi) dựa trên sự tương tự với điện trở (Murakami và Okos 1989)

Mô hình song song là tổng hệ số dẫn nhiệt của các thành phần thực phẩm nhân với phần thể tích của chúng:

MÔ TẢ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

Hình 2 mô tả thí nghiệm đo hệ số dẫn nhiệt của hãng ThermTest Dải đo của thiết bị từ 0.02 – áp dụng các loại vật liệu cách nhiệt dạng xốp, vật liệu mềm như bùn, đất; vật liệu xây dựng như cát, xi măng; các loại củ quả, thực phẩm,… Đối với các vật liệu cứng phải khoan lỗ trước khi tiến hành thí nghiệm

Thiết bị thí nghiệm xác định hệ số dẫn nhiệt theo phương

Kết nối que thăm vào thiết bị sau đó nhấn nút màu đỏ để hởi động thiết bị

Thiết đặt thời gian đo tùy theo từng loại vật liệ

Cắm que thăm vào mẫu cần đo, nhập ID cho mẫu và chờ thời gian nhiệt độ của que thăm đồng đều với nhiệt độ của mẫu

Nhất nút xanh để tiến hành quá trình đo

Kết thúc quá trình đo, rút que thăm ra khỏi mẫu, chờ que thăm ổn định nhiệt độ rồi tiếp tục thí nghiệm với mẫu khác

Vẽ lại sơ đồ, ghi chép các thông tin cần thiết để hoàn thành báo cáo thí nghiệm

XỬ L KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Yêu cầu

• tìm hiểu trước trình bày nguyên lí, cấu tạo của thiết bị thí nghiệm

• Nắm được cách thức t hệ số dẫn nhiệt theo lý thuyết nguồn đường từ dữ liệu thực nghiệm

• được hệ số dẫn nhiệt theo 2 mô hình song song và vuông góc

• Nhận xét kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm

Nguồn nhiệt đường

Bảng kết quả thực nghiệm

Vẽ đồ thị phụ thuộc của nhiệt độ vào ln( ) theo mẫu:

Đồ thị thực nghiệm từ kết quả đo:

………

………

………

………

………

Xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệuλ πC = ………

………

………

………

………

………

………

Xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu từ các thông số cấu tạo theo mô hình vuông góc ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Nhận xét ………

………

………

………

………

………

: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU TRONG KÊNH DẪN

Mục đích: Bằng thí nghiệm minh họa quá trình trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức trong

kênh dẫn, đánh giá sự ảnh hưởng của các loại bề mặt trao đổi nhiệt, dòng nhiệt, vận tốc đến quá trình trao đổi nhiệt đối lưu

Cơ sở lý thuyết

Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ sự chuyển động của chất lỏng hay chất khi (gọi chung là lưu chất) giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau Trong thực tế thường gặp quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn với lưu chất chuyển động Quá trình này gọi là tỏa nhiệt đối lưu hay đơn giản gọi là tỏa nhiệt

Để tính lượng nhiệt trao đổi giữa bề mặt vách và chất lưu ta sử dụng công thức Newton Công thức Newton có dạng:

q và Q: lần lượt là mật độ dòng nhiệt và dòng nhiệt

F: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt , [m

− đặc trưng cho cả cường độ trao đổi nhiệt và các bề

mặt có diện tích trao đổi nhiệt khác nhau

Mô tả thiết bị thí nghiệm

Hình 2 mô tả thiết bị thí nghiệm trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức trong kênh dẫn Thiết

bị chứa các cảm biến nhiệt độ, vận tốc và hiển thị các thông số đó trên màn hình Trong quá trình thí nghiệm sinh viên tiến hành thay đổi công suất, vận tốc khí trong kcác bộ trao đổi nhiệt khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của từng yếu tố đến quá trình trao đổi nhiệt đối lưu

Hình 1: Thiết bị thí nghiệm xác định mật độ dòng nhiệt truyền qua vách phẳng

TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM

Nghiên cứu lý thuyết về trao đổi nhiệt đối lưu

Theo dõi cán bộ hướng dẫn giới thiệu, phân tích cơ sở lý thuyết, phân tích các thành phần cấu tạo của thiết bị thí nghiệm

Lắp bộ trao đổi nhiệt vào kênh dẫn

Kết nối cảm biển nhiệt độ, vận tốc, sau đó gạt công tắc để khởi động thiết bịKhởi động quạt, nhấn nút đề cấp điện cho bộ gia nhiệt

Điều khiển các mức công suất và mức quạt ứng với từng chế độ

Quan sát nhiệt độ trên màn hình thiết bị, chờ thời gian nhiệt độ ổn định ở bề mặt vách sau đó ghi kết quả vào bảng số liệu 1

Tiếp tục thực hiện tương tự với công suất nhiệt và vận tốc khác nhau khác nhau.Ghi chép các thông tin cần thiết để hoàn thành báo cáo thí nghiệm

XỬ LÝ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Sinh viên trình bày nguyên lí, cấu tạo của thiết bị thí nghiệm vừa tìm hiểu, tính toán và

vẽ đồ thì sự phụ thuộc của hệ số của từng loại bộ trao đổi nhiệt theo vận tốc, nhận xét kết quả:

Trình bày sơ đồ điểm đo và cấu trúc bề mặt trao đổi nhiệt có cánh

Nêu trình tự làm thí nghiệm đối với bề mặt có cánh, giải thích xu hướng biến đổi của nhiệt độ T

Bảng 1 Kết quả thí nghiệm cho bộ trao đổi nhiệt dạng tấm phẳngNhiệt độ môi trường t = ………

ω

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của vào tốc độ và dòng nhiệt

Bảng 2 Kết quả thí nghiệm cho bộ trao đổi nhiệt dạng tấm có cánhNhiệt độ môi trường t = ………

ω

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của vào tốc độ và dòng nhiệt

Nhận xét:

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU KHI SÔI Mục đích: Bằng thí nghiệm minh họa quá trình trao đổi nhiệt

rộng tìm hiểu các cơ chế sôi bọt, sôi màng và đánh giá sự ảnh hưởng của độ quá nhiệt đến quá trình trao đổi nhiệt đối lưu

Cơ sở lý thuyết

Sôi là quá trình chuyển pha từ lỏng sang hơi xảy ra ở nhiệt độ bão hòa Quá trình trao đổi nhiệt có xảy ra sự chuyển pha nói trên được gọi là trao đổi nhiệt khi sôi

Quá trình trao đổi nhiệt khi sôi chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như độ chênh nhiệt

độ bề mặt, tính dính ướt của chất lỏng và bề mặt, áp suất sôi, tính chất nhiệt vật lý của chất lỏng và trạng thái bề mặt đốt nóng

Câu hỏi:

Hãy trình bày và phân biệt các cơ chế sôi màng và sôi bọt dựa theo sự tăng dần của độ quá nhiệt?

∆Sôi bọt

∆

Hình 1 Ảnh hưởng của độ quá nhiệt tới hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và mật độ dòng

nhiệt khi sôi trong không gian rộng

Hình 2: Sơ đồ ảnh thiết bị ệm

đầu cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ:

: nhiệt độ môi chất lỏng R141b

: nhiệt độ hơi môi chất R141b

: nhiệt độ nước lạnh vào

: nhiệt độ nước lạnh ra

ệt độ ề m đốt nặt

đầu đo ất đo ất tuyệt đối trong b

Để tính lượng nhiệt trao đổi giữa bề mặt vách và chất lưu ta sử dụng công thức Newtonường hợp đổi ệt đối lưu khi s

Tăng lượng nhiệt ức kh ới độ tăng 10 ần đo Đ ều khiển lưu ượng ước để ất duy tr ở mức mong muốn ị nguồn đốt nóng, áp suất hơi, nhiệt độ lỏng và nhiệt độ bề mặt đốt nóng ệ thống ổn định.

XỬ LÝ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ảng kết ả đo

–

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc ữa

ận x

………

………

………

………

………

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của

Nhận xét:

………

………

………

………

………