báo cáo thí nghiệm

ậ ể ảĐố ới v i bài toán dẫn nhiệt qua tấm phẳng thì trường nhiệt độ được biểu diễn bằng phương trình vi phân sau:a tCTa đang xét trường hợp đây là bài toán dẫn nhiệt ổn định nên giả thi

ĐẠI H C BÁCH KHOA HÀ N I ỌỘ

TRƯỜNG CƠ KHÍ

HÀ N I, 11/2022Ộ

MỤC LỤC

BÀI THÍ NGHI M S 1 1Ệ ỐI M c tiêu thí nghi m 1ụ ệII Cơ sở lý thuy t 1ếIII Gi i thi u b thí nghi m 1ớ ệ ộ ệIV K t qu thí nghi m 2ế ả ệV K t lu n 4ế ậBÀI THÍ NGHI M S 2 5Ệ ỐI Mục đích thí nghiệm 5II Cơ sở lý thuy t 5ế1 Lý thuy t nguế ồn đường 52 Tính toán h s d n nhi t m t s lo i th c ph m 7ệ ố ẫ ệ ộ ố ạ ự ẩIII Gi i thi u thi t b thí nghi m 7ớ ệ ế ị ệIV K t qu thí nghi m 8ế ả ệ1 Xác định hệ số d n nhi t bẫ ệ ằng phương pháp que thăm, nguồn đường 82 Xác định hệ số d n nhi t c a m u thí nghi m theo mô hình d n nhi t ẫ ệ ủ ẫ ệ ẫ ệsong song và vuông góc 10V K t lu n 11ế ậBÀI THÍ NGHI M S 3 12Ệ ỐI Mục đích thí nghiệm 12II Cơ sở lý thuyết 12III Gi i thi u b thí nghi m 12ớ ệ ộ ệIV K t qu thí nghi m 12ế ả ệV K t lu n 13ế ậ

1

BÀI THÍ NGHI M S 1 ỆỐI M c tiêu thí nghi m ụ ệ

Xác định mật độ dòng nhiệt trong mô hình thí nghi m dẫn nhi t n nh ệ ệ ổ địkhông có ngu n trong qua vách ph ng ồ ẳ

II Cơ sở lý thuyết

D n nhi t là s truy n nhiẫ ệ ự ề ệt năng giữa các nguyên tử hay phân t cử ủa một vật ho c các v t khi chúng có ti p xúc v i nhau V m t toán hặ ậ ế ớ ề ặ ọc, có th kh o sát ể ảquá trình d n nhi t nh nh luẫ ệ ờ đị ật cơ bản: định lu t bậ ảo toàn năng lượng ng d ng ứ ụriêng cho nhiệt năng và định lu t kinh nghi m c a Fourier v d n nhi t S d ng k t ậ ệ ủ ề ẫ ệ ử ụ ếhợp hai định luật này cho phép ta thiết lập phương trinh vi phân dẫn nhiệt mà nghiệm c a nó là phân b nhiủ ố ệt độ trong v t th kh o sát ậ ể ả

Đố ới v i bài toán dẫn nhiệt qua tấm phẳng thì trường nhiệt độ được biểu diễn bằng phương trình vi phân sau:

a tC

Ta đang xét trường hợp đây là bài toán dẫn nhiệt ổn định nên giả thi t không có sự ếthay đổi nhiệ ộ theo th i gian Tt đ ờ ấm phẳng được giả thi t rộng vô h n nên nhi t ế ạ ệđược coi truyền qua m t chiều duy nhất là chiều dày tấm và bên trong vật không có ộnguồn nhi t trong nào T ệ ừ đó phương trình vi phân dẫn nhiệt được thu g n l i còn ọ ạnhư sau:

t tx−

(1.3) Mật độ dòng nhi t (ệ q W/m K2 ) đi qua vách bằng:

III Gi i thi u b thí nghi m ớ ệ ộ ệ

B thộ ực hành thí nghiệm đo mật độ dòng nhi t ệ q được b c cách nhi t toàn b ọ ệ ộkhối d n nhi t và duy trì nhiẫ ệ ệt độ hai đầu nóng và lạnh của khối d n nhi t ẫ ệ ổn định Làm như vậy nhằm để truyền toàn bộ lượng nhiệt từ mặt nóng heater đến mặt lạnh cooling của thi t bế ị mà không để ị ấ b m t mát nhiệt ra ngoài môi trường, và ng th i đồ ờ

giữ nhiệt độ hai m t luôn cặ ố định để ạ t o ra dòng nhi t ệ q đi trong thiế ị được n t b ổđịnh Trong khối trụ được làm dẫn nhiệt gồm năm ớ l p: l p giữa trung tâm là ớ ởthanh gốm được coi là m u ẫ đã biết trước hệ ố ẫ s d n nhiệt =15,7 (W/mK)λ và kích thước x x W H D=40 40 8,73 (mm) ở cạnh m i bên là hai x x , ỗ thanh đồng ghép với nhau nh m mằ ục đích giữ cho nhiệt độ ở hai m t t m gặ ấ ốm được thêm ổn định hơn Mặt dưới kh i tr ố ụ là heater được nố ới ngu n có th i v ồ ể điều chỉnh thay đổi công su t ấgia nhi t M t trên kh i tr là ph n làm mát bệ ặ ố ụ ầ ằng nước Nhiệt độ ủa nướ c c làm mát được giữ cố nh trong bài thí nghiệm này bằng 26đị oC Nư c sau khi nhớ ận được nhiệt truy n ra t kh i trề ừ ố ụ được đi đến “sò lạnh” để làm mát nước “Sò lạnh” thực chất là m t thi t bộ ế ị làm mát s d ng nguyên lý nhiử ụ ệt điện Peltier Nước được làm mát trước khi quay lại cooling để làm mát mặt trên khối trụ thì vẫn phải qua bình, trong bình chứa một thanh nhiệt điện tr công su t nhở ấ ỏ để làm ấm nước Mục đích như đã nói ở trên là để giữ cho nước khi vào thiết bị luôn bằng 26 C o

Hnh 1 Sơ đồ thiết b thí nghiịệm

IV K t qu thí nghi m ế ả ệ

Sau khi ti n hành th c hi n thí nghi m 4 l n các ế ự ệ ệ ầ ở trường h p công su t gia ợ ấnhiệt khác nhau và cùng ở điều nước làm mát tn=26 oC, ta thu được các k t qu sau: ế ả

3

Lần đo λ (W/mK)

F (m ) 2 δ (m) t3 ( C) o t4 ( C) o U (V) I (A) 1

Công suất nhiệt Q

Đồ thị sự phụ thuộc giữa công suất nhiệt truyền qua tấm gốm và công suất điện tiêu thụ

𝑄 = 𝐹.𝜆.𝑡4−𝑡3𝛿

ế ậ

Hình bi u di n ể ễ đường ph thu c giụ ộ ữa công suất nhi t truy n qua t m g m và ệ ề ấ ốcông suất điện tiêu thụ để gia nhi t cho heater có dệ ạng đường th ng khá tuy n tính, ẳ ếsong còn lệch tương đối nhi u so về ới đường th ng ẳ y=x Điều này cho th y trong quá ấtrình làm thí nghi m ệ đã có sai số Nhưng theo kết qu ả tính toán độ sai giε ữa hai đại lượng này có xu hướng giảm sau các lần đo (từ 70% ở lần đo đầu xuống còn 16% ở lần đo cuối), chứng tỏ nếu được làm thí nghiệm trong thời gian dài hơn và điều kiện thiết bị thí nghi m ệ ổn định thì sẽ thu được kết qu ả chính xác hơn Qua mô hình thí nghiệm ở bài này, việc để xác định công su t nhi t truy n qua t m gấ ệ ề ấ ốm sau đó so sánh v i giá tr công su t tớ ị ấ ỏa nhiệt heater, t ừ đó có những gi i pháp bả ọc cách nhiệt mô hình thí nghi m hi u qu ệ ệ ả để đưa giá trị sai l ch này vệ ề 0 Đây là một phương pháp ít t n kém mà có th áp dố ể ụng để xác định h s d n nhi t ệ ố ẫ ệ λ của nhi u v t li u ề ậ ệtrong công nghi p ngày nay ệ

5

BÀI THÍ NGHI M S 2 ỆỐI Mục đích thí nghiệm

B ng thí nghi m minh hằ ệ ọa quá trình dẫn nhi t không ệ ổn định, xác định h s ệ ốdẫn nhi t cệ ủa mộ ố ạ ủ, qu th c ph m bt s lo i c ả ự ẩ ằng phương pháp nguồn đường

II Cơ sở lý thuyết

1 Lý thuy t nguế ồn đường

Việc xác định h s d n nhi t bệ ố ẫ ệ ằng phương pháp đo không ổn định s dử ụng nguồn nhi t dệ ạng đường do m t dây dộ ẫn có dòng điện chạy qua sinh ra được đặt trong không gian r ng vô hộ ạn Trong trường h p này nhiợ ệt được truy n theo không ềgian hình tr do v y ch n h tụ ậ ọ ệ ọa độ ụ ớ tr v i ngu n nhi t n m trên trồ ệ ằ ục z để ể bi u di n ễquá trình d n nhiẫ ệt như trên Hình 1 Trường nhiệt độ trong l p v t liớ ậ ệu được biểu diễn là hàm của bán kính và thời gian, t=t(r,τ)

Hình 1: Dẫn nhi t 1 chi u qua vách tr ệ ề ụ

Phương trình vi phân dẫn nhiệt mô tả quá trình dẫn nhiệt bên trong lớp vật liệu được biểu diễn như sau:

Điều kiện biên lo i 2 tại b m t của nguồn nhi t đường: ạ ề ặ ệ

λ: H s d n nhi t, [W/mK] ệ ố ẫ ệ

qF : Mật độ dòng nhi t, [W/m ] ệĐiều kiện ban đầu c a quá trình dủ ẫn nhiệt:

Đặt = − là nhit t0 ệt độ ừ th a bên trong v t so v i nhiậ ớ ệt độ ban đầ tu 0Sử dụng phương pháp biến đổi Laplace đưa bài toán vi phân đạo hàm riêng (1) v ềbài toán vi phân đạo hàm thường trong mi n nh Sau khi giề ả ải bài toán vi phân đạo hàm thường trên mi n nh, nghi m cề ả ệ ủa phương trình vi phân đạo hàm thường s ẽđược chuyển về không gian thực bằng phép biến đổi Laplace ngược Ta sẽ đưa ra và sử d ng nghi m cụ ệ ủa bài toán trong không gian th c ự

a r t nh , nghi m cấ ỏ ệ ủa bài toàn hoàn toàn có thể ỏ b qua các s h ng sau c a ố ạ ủchuỗi (2) mà không mắc phải sai s ố đáng kể, khi đó:

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

lq=

7

Từ (5) (6) suy ra: 4

Mô hình vuông góc là nghịch đảo của tổng các ph n th tích chia cho h s d n ầ ể ệ ố ẫnhiệt c a chúng: ủ

(1v/ )

Hai mô hình này đã được tìm thấy để ự đoán giớ ạn trên và dướ d i h i hệ số dẫn nhiệt của hầu h t các lo i thế ạ ực phẩm

III Gi i thi u thi t b thí nghi m ớ ệ ế ị ệ

Hình 2 mô tả thí nghiệm đo hệ ố ẫ s d n nhi t TLS100 c a hãng ThermTest ệ ủDải đo của thi t bế ị t 0.02 5 W/mK, áp d ng các lo i v t li u cách nhi t d ng xừ – ụ ạ ậ ệ ệ ạ ốp, vật li u mệ ềmnhư bùn, đất; vật liệu xây dựng như cát, xi măng; các loại củ quả, thực phẩm,… Đối với các v t li u c ng ph i khoan l trậ ệ ứ ả ỗ ước khi ti n hành thí nghi m ế ệ

Hình 2: Thiết b thí nghiị ệm Thermtest TLS100 xác định h s d n nhi t theo ệ ố ẫ ệphương pháp nguồn đường

6 Nhất nút xanh đ tiể ến hành quá trình đo.

7 Kết thúc quá trình đo, rút que thăm ra khỏi m u, chẫ ờ que thăm ổn định nhi t ệđộ rồi tiếp tục thí nghiệm v i mẫu khác ớ

8 Vẽ lại sơ đồ, ghi chép các thông tin c n thiầ ết để hoàn thành báo cáo thí nghiệm

Vẽ th ph thuđồ ị ụ ộc c a nhiủ ệt độ vào ln(τ) theo m u: ẫ

Xác định hệ số góc của phương trình phụ thuộc t C= 1ln( )+C2

Xác định hệ số dẫn nhiệt của mẫu thí nghiệm theo công thức:

Chọn nhiệt độ tính toán là nhiệt độ trung bình 28.4 38.25 33.32tb

Composition Thermal

310310.2310.4310.6310.8311311.2311.4

11

( )

0,9643.0,6223 0, 0046.0, 2156 0,006.0,1713 0, 0228.0, 2428 0,0023.0,37310,6085

viix=

BÀI THÍ NGHI M S 3 ỆỐI Mục đích thí nghiệm

Xem xét ảnh hưởng của tốc đ gió trong trao đổộ i nhiệt đối lưu giữa dòng không khí chuyển động qua vách ph ng ẳ

II Cơ sở lý thuyết

Trao đổi nhiệt đối lưu (TĐN ĐL) là quá trình trao đổi nhi t nh s chuy n ệ ờ ự ểđộng (vĩ mô) của chất lỏng hoặc chất khí giữa nh ng vùng có nhiệt độ khác nhau ữTrao đổi nhiệt đối lưu luôn kèm theo dẫn nhiệt (nhưng không đáng kể) vì luôn có sự tiếp xúc gi a các phân t có nhiữ ử ệt độ khác nhau

Tỏa nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệ ối lưu giữt đ a bề m t cặ ủa vật r n vắ ới ch t ấlỏng ho c ch t khí chuyặ ấ ển động Nh ng nhân tữ ố ảnh hưởng đến chuyển động của dòng ch t l ng hoấ ỏ ặc chất khí đều ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt đối lưu ụ, c thể ở trong bài thí nghi m này là tệ ốc độ gió

III Gi i thi u b thí nghi m ớ ệ ộ ệ

Mô hình thí nghi m là b thi t bệ ộ ế ị trao đổi nhi t ki u dòng ch y c t nhau, ệ ể ả ắdòng không khí ch y trong kênh d n có ti t di n S vạ ẫ ế ệ ới lưu lượng được điều ch nh ỉbằng độ mở van đầu hút và quạt li tâm Giữa kênh dẫn đặt một tấm phẳng được đốt nóng b ng heater có thằ ể điều ch nh nhiỉ ệt độ ằng thay đổ b i công suất điện gia nhi t ệThí nghiệm được thực hi n ệ ở điều ki n nhiệ ệt độ phòng t=28,3 oC Ti n hành thí ếnghiệm, ta lần lượt thay đổi giá trị b bi n tộ ế ần để thay đổ ối tc đ động cơ quạộ t li tâm dẫn đế ốc độ gió thay đổn t i Tiến hành tương tự đối với trường hợp lắp thêm cánh tản nhi t d ng hình trệ ạ ục vào tấm ph ng Chẳ ờ và quan sát sự thay đổi nhiệt độ ủ c a tấm ph ng ẳ ở những trường hợp tốc độ gió khác nhau

IV K t qu thí nghi m ế ả ệ

Trường h p không lắp cánh: ợ

Trường h p lắp cánh: ợ

Số liệu tính toánLần đo

Heater power (W)

Temp cotroller

tw (oC)Air velocity v (m/s)

Air temp tf (oC)

Độ chênh nhiệt độ Δt=tw-tf

tw (o

Air velocity v (m/s)

Air temp tf (o

C)Temp 1

t1 (o

C)Temp 2

t2 (o

C)Temp 3

t3 (o

Độ chênh nhiệt độ Δt=tw-tf

28.8Số liệu đo

13 V K t lu n ế ậ

Tốc độ gió ảnh hưởng lớn đến quá trình t a nhiỏ ệt đối lưu củ ấa t m ph ng, t c ẳ ốđộ gió càng l n thì khả năng tỏa nhiệt của tấm phẳng càng tốt Điều này chứng tỏ là ớquá trình trao đổi nhiệt đối lưu có cưỡng bức hiệu quả hơn so vớ ối lưui đ tự nhiên Hiệu quả quá trình trao đổi nhiệt được gia tăng đáng kể khi có l p thêm cánh t n ắ ảnhiệt T ừ đó qua bài thí nghiệm l n này, khi mu n m t quá trình truy n nhi t trong ầ ố ộ ề ệthực tế đạt hi u qu cao thì c n ph i v n d ng k t hệ ả ầ ả ậ ụ ế ợp giữa trao đổi nhiệt đối lưu và dẫn nhi t ệ

0510152025303540