báo cáo thí nghiệm nhiệt động và truyền nhiệt bài 1 xác định trạng thái không khí ẩm và tính toán cân bằng nhiệt ống khí

THÍ NGHIỆM NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT2VÀ TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NHIỆT ỐNG KHÍ1.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA THÍ NGHIỆM1.1.1Mục đích thí nghiệm- Biết cách đo nhiệt độ khô, ướt, lưu lượng gió, áp

THÍ NGHIỆM NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT 1

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

KHOA CƠ KHÍ ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT

Danh sách sinh viên:

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Văn Hạnh

THÍ NGHIỆM NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT 2

VÀ TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NHIỆT ỐNG KHÍ

1.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA THÍ NGHIỆM

1.1.1 Mục đích thí nghiệm

- Biết cách đo nhiệt độ (khô, ướt), lưu lượng gió, áp suất, thể tích

- Hiểu quá trình làm lạnh có tách ẩm của không khí ẩm

- Hiểu nguyên lý làm việc và các thiết bị cơ bản của chu trình lạnh đơn giản

- Tính toán cân bằng nhiệt trong ống khí

1.1.2 Yêu cầu chuẩn bị

Sinh viên đọc kỹ phần lý thuyết các phần sau trước khi vào tiến hành thí nghiệm:

- Nhiệt kế khô và nhiệt kế ướt

- Thiết bị đo tốc độ gió

- Thiết bị đo thể tích

- Thước kẹp

1.2.2 Mô tả thí nghiệm.

Không khí được quạt thổi qua dàn lạnh của máy lạnh Trước và sau dàn lạnh

có đặt các bầu nhiệt kế khô ướt để xác định trạng thái của không khí ẩm

Tại đầu ra của ống khí động có sử dụng 1 thiết bị đo tốc độ gió để xác định tốc

độ và nhiệt độ của không khí

Tác nhân lạnh sử dụng trong hệ thống lạnh là R22

Hình 1.1: Mô hình ống khí động

THÍ NGHIỆM NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT 3

- Sử dụng thiết bị đo tốc độ gió xác định vận tốc gió và nhiệt độ gió ra khỏiống khí động, từ đó xác định lưu lượng không khí qua ống khí động

- Xác định áp suất bay hơi và áp suất ngưng tụ của máy lạnh

- Từ các số liệu trên, sinh viên xác định:Các thông số trạng thái của không khí

ẩm trước và sau dàn lạnh

THÍ NGHIỆM NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT 4

Biểu diễn quá trình thay đổi trạng thái của không khí trên đồ thị t-d Nhiệt

lượng không khí nhả ra khi qua dàn lạnh

Lượng ẩm tách ra khỏi dàn lạnh theo tính toán và so sánh giá trị thực tế nhận xét sự khác biệt giữa thực tế và lý thuyết

Xác định các thông số trạng thái của chu trình lạnh

Biểu diễn các trạng thái của tác nhân lạnh trên đồ thị T-s (ứng với chu trình

lạnh lý thuyết, bỏ qua độ quá nhiệt quá lạnh)

1.4 SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM

Khi hệ thống đã hoạt động ổn định, bắt đầu xuất hiện nước ngưng tại dàn lạnh,sinh viên tiến hành làm thí nghiệm với yêu cầu sau:

Sinh viên tiến hành thí nghiệm 4 lần, thời gian làm thí nghiệm mỗi lần 20 phút

(Ghi chú: sau mỗi lần lấy số liệu xong sinh viên thay đổi lưu lượng gió

qua dàn lạnh) (Chúng em chỉ làm 3 lần do yêu cầu từ giáo viên hướng

dẫn)

Bảng 1.2: Các thông số trạng thái của không khí ẩm:

Trước dàn lạnh Sau dàn lạnh Vận tốc gió ra

khỏi ống(m/s)

Nhiệt độ gió rakhỏi ống (oC)

Bảng 1.3: Các số liệu liên quan đến chu trình lạnh

Áp suất bay hơi đọc trên áp kế

Xét thông số trạng thái nhiệt độ không khí trước dàn lạnh lần 1 :

Tại điểm ướt :

Gọi P hbh−Ư là áp suất cần tìm ứng với nhiệt độ t Ư=27°C = 300K

Tra bảng 2 ta được P hbh−Ư = 0.003537MPa ứng với t Ư=27°C = 300K

Từ các lần đo ta thấy được

φ ư=100 %= P h−ư

P hbh−Ư=¿P h−ư=P hbh−Ư=0.003537 (MPa )=0.03537¿

t K(°C) t Ư(°C)

Độ chứa hơi tại điểm ướt :

d ư=0.622 × P h−ư

P−P h−ư=0.622 ×

0.03537 1−0.03537=0.02281(kg kg)Entanpy của không khí tại điểm ướt :

I ư=t ư+d ư(2500+1,93 t ư)=27+ 0.02281× (2500+1.93× 27)=85.2136(kJ kg)Xét tại điểm khảo sát:

Tại điểm ướt:

Gọi P hbh−Ư là áp suất cần tìm ứng với nhiệt độ t Ư=17 ° C = 290 K

Tra bảng 2 ta được P hbh−Ư = 0.00192 Mpa = 0.0192 bar ứng với t Ư=290 K

Độ ẩm tương đối

φ ư=100 %= P h−ư

P hbh−Ư=¿P hbh−Ư=P h−ư= 0.0192 ¿

 Độ chứa hơi tại điểm ướt :

d ư=0.622 × P h−ư

P−P h−ư=0.622 ×

0.0192 1−0.0192=0.01217(kg kg)Entanpy của không khí tại điểm ướt:

Áp dụng tương tự cho lần 2 và lần 3 ta được:

Bảng 1.5: Các thông số trạng thái của không khí ẩm trước và sau dàn lạnh

Nhiệt độ gió ra khỏiống (oC)

Lượng ẩmtách ra (ml)

Công thức tính nhiệt lượng nhả ra :

ρ : khối lượng riêng(kg/m^3)

G a: Lưu lượng lượng không khí ẩm ra khỏi ống (kg/s)

I1 :Enthalpy của không khí trước dàn lạnh (kJ/kg)

I2:Enthalpy của không khí sau dàn lạnh (kJ/kg)

d1 : độ chứa hơi trước dàn lạnh (g/kg)

d2độ chứa hơi sau dàn lạnh (g/kg)

G a=v A a ρ(kg/s) = 0.0567 (kg/s)

t: thời gian vận hành (s) (20p)

 G n=G a(d1−d2)t=0.0567 (19.15−11.36)× 20× 60=538.448 ml

Thực hiện tương tự cho các lần đo tiếp theo ta được bảng số liệu:

Bảng 1.6: Nhiệt lưởng nhả ra và lượng ẩm tách ra khỏi dàn lạnh

Lượng ẩmtách ra(ml)

Lưu lượng lượngkhông khí ẩm rakhỏi ống (kg/s)

Nhiệtlượng(kW)

Lượng ẩm thoát

ra khỏi dàn lạnh(ml)

1.5.5 Nhiệt độ sôi và nhiệt độ ngưng tụ

Áp suất bay hơi đọc trên áp kế

-Áp suất bay hơi đọc được trên áp kế : P bh=5.9 ¯ ¿

 Áp suất bay hơi tuyệt đối P bhtđ=P0+P bh=1+ 5.9=6.9 ¯ ¿

Từ áp suất bay hơi tuyệt đối, tra bảng 9 từ SBT Nhiệt động học kỹ thuật và truyền nhiệt và nội suy tỉ lệ => t sôi = 10.42 °C

-Áp suất ngưng tụ đọc được trên áp kế P nt =18.4 bar

=> Áp suất ngưng tụ tuyệt đối P nttđ=P0+P nt=1+18.4=19.4 bar

Từ áp suất ngưng tụ tuyệt đối, tra bảng 9 từ SBT Nhiệt động học kỹ thuật và truyền nhiệt và nội suy tỉ lệ => t ngưngtụ = 50.01 °C

Thực hiện tính toán tương tự cho 2 lần đo kế tiếp ta được bảng số liệu

Bảng 1.7: Áp suất và nhiệt độ tuyệt đối

Áp suất bay hơiđọc trên áp kế

(kgf /c m2)

Áp suất ngưng tụđọc trên áp kế

(kgf /c m2)

Nhiệt độ sôituyệt đối (° C)

1.6.1 Biểu diễn quá trình thay đổi trạng thái của không khí trên

đồ thị t-d Nhiệt lượng không khí nhả ra khi qua dàn lạnh.

– Sai số do đo lưu lượng nước ngưng: do đọc thể tích trên ống đong và bấm thời gian chưa chính xác

– Sai số do thiết bị: lưu lượng khí vào không ổn định, thiết bị không được cách nhiệt

và cách ẩm tuyệt đối với môi trường xung quanh dẫn đến sai số trên thiết bị đo

–Sai số do tính toán: sai số do việc tra các giá trị φ, i, d trên giản đồ i - d.

Biểu diễn các trạng thái của tác nhân lạnh trên đồ thị T-s (ứng với chu trình lạnh lý thuyết, bỏ qua độ quá nhiệt quá lạnh

Hình 1.3: Đồ thị T-s

BÀI 2: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỬ DỤNG NHIỆT COP (ξ)) CHO CHU

TRÌNH MÁY LẠNH VỚI THIẾT BỊ NGƯNG TỤ GIẢI NHIỆT BẰNG KHÔNG KHÍ VÀ THIẾT BỊ BAY HƠI LÀM LẠNH

- Nắm được chu trình hoạt động cơ bản của thiết bị làm lạnh không khí

có kết hợp một số thiết bị phụ trong sơ đồ hoạt động

- Giúp sinh viên có thể đo đạc thông số nhiệt độ, áp suất, tính nhiệt

lượng, hệ số làm lạnh thực tế của thiết bị

2.1.2 Yêu cầu chuẩn bị

- Sinh viên phải nắm được chu trình lạnh

- Lý thuyết dẫn nhiệt qua vách

- Biết ứng dụng các công thức trong sơ đồ lạnh

2.2 MÔ TẢ THÍ NGHIỆM

2.2.1 Thiết bị & vật tư thí nghiệm

- Mô hình làm lạnh không khí với thiết bị giải nhiệt bằng không khí

- Thước cặp, thước dây

Hình 2.1b: Chu trình máy lạnh biểu diễn trên đồ thị T - s.

1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt hơi trong máy nén 2-3: Quá trình ngưng tụ đẳngáp

3-4: Quá trình tiết lưu trong van tiết lưu

4-1: Quá trình bay hơi đẳng nhiệt và đẳng áp trong thiết bị bay hơi

Các vị trí đo nhiệt độ và áp suất trong chu trình máy lạnh

Các áp kế p1 và p2 dùng để đo áp suất hút và đẩy của máy nén (A)

Nhiệt độ của tác nhân lạnh R12 đi vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ (B) được đobằng các sensor T1 và T2

Nhiệt độ của không khí giải nhiệt đi vào và đi ra khỏi thiết bị ngưng tụ (B) được đo bằng các sensor T3 và T4

Nhiệt độ của tác nhân lạnh R12 đi vào và ra khỏi thiết bị bay hơi (J) được đobằng các sensor T5 và T9

Nhiệt độ không khí trong buồng lạnh được đo bằng T6

2.3 NHIỆM VỤ THÍ NGHIỆM

Trong bài thí nghiệm này sinh viên có nhiệm vụ phải thu thập các số liệu về

áp suất hút (P0), đẩy (Pk); nhiệt độ của không khí giải nhiệt khi vào và ra khỏithiết bị ngưng tụ, nhiệt độ của không khí trong buồng lạnh Sau đó kết hợp vớikết quả tính toán để xác định:

- Lượng nhiệt tổn thất qua các vách của buồng lạnh.

- Các thông số trạng thái trong chu trình thực của máy lạnh

- Hệ số sử dụng nhiệt COP ( )) của chu trình lý thuyết và chu trình thực

- Phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ Qk

- Lượng không khí cần thiết để giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ Gkk

2.4 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

Bước 1: Xác định dữ kiện ban đầu:

 Dùng thước cặp độ dày của các loại vật liệu

 Dùng thước gấp đo các thông số buồng lạnh

 Xác định cấu tạo của vách

Bước 2: Tiến hành đo

 Khởi động máy và đợi máy hoạt động trong 10 phút

 Tiến hành đo các số liệu:

 Nhiệt độ không khí bên ngoài buồng lạnh Ta = T3

 Nhiệt độ không khí bên trong buồng lạnh T6

 Nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị ngưng tụ T4

 Áp suất p0 và pk

 Tiếp tục đợi máy lạnh hoạt động 10 phút và tiến hành đo đạc lại trong 3 lần Lấy giá trị đo lần cuối cùng để tính toán

2.5 SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM

Bảng 2.1: Các số liệu đo của các loại vật liệu

Vách Cấu tạo của vách

Bảng 2.4: Các thông số nhiệt độ và áp suất

Số lần đo 3 lần, mỗi lần cách nhau 10 phút

Áp suất tại

đầu đẩy của

máy nén (Pk)

Áp suất tạiđầu hút củamáy nén(P0)

Nhiệt độmôi trường(T3)

Nhiệt độ khôngkhí sau dànngưng tụ (T4)

Nhiệt độtrong buồnglạnh (T6)

2.6 XỬ LÝ SỐ LIỆU

2.6.1 Xác định các thông số ban đầu của tác nhân lạnh

Từ các thông số áp suất ở lần đo thứ 3 trong bảng 4, dựa vào các bảng tra “Các tínhchất nhiệt động của R12 ở trạng thái bão hòa” và “Các tính chất nhiệt động của R12

ở trạng thái quá nhiệt” , xác định các thông số entanpy (i) của R12 tại các điểmtrong chu trình máy lạnh

Tại lần đo thứ 3, Áp suất tại đầu đẩy của máy nén Pk= 0,88MPA= 8.8 bar

Áp suất tại đầu hút của máy nén P0= 0,08MPa = 0.8 bar

Điểm 1: áp suất p1= pkk + P0 =1 bar + 0.8 bar = 1.8 bar

Dùng bảng tra “Các tính chất nhiệt động của R12 ở trạng thái bão hòa” và phép nộisuy, ta được:

Điểm 3: áp suất p3= p2= 9.8 bar

Dùng bảng tra “Các tính chất nhiệt động của R12 ở trạng thái bão hoà” và phép nội suy, ta được:

i3=175.02− 9.8946−9.8

9.8946−9.6544×(175.02−173.97 )=174.61(kJ kg)

Điểm 4: áp suất p4= p1= 1.8 bar

i4=i3=174.61(kJ kg)

Trạng thái Áp suất (bar) Entanpi i (kJ/kg)

Bảng 2.5: Thông số entanpy (i) của R12 tại các điểm trong chu trình máy lạnh

2.6.2 Tính phụ tải của buồng lạnh

i - Bề dày của lớp thứ i, m

i - Hệ số dẫn nhiệt của lớp vách thứ i (tra theo bảng 5), W/mK

1 - Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của không khí bên ngoài buồng lạnh, W/m2K Chọn 1 = 6 W/m2K

2 - Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của không khí bên trong buồng lạnh, W/m2K Chọn 2 = 12 W/m2K

1 12

1 12

1 12

ɛ= i1−i4

i2−i1=

281.38−174.61 311.43−281.38=3.5531

2.7 Nhân xét:

Nhận xét về số liệu: Hệ số làm lạnh của hệ thống xấp xỉ 3.74

Sai số tuyệt đối là 0.1869

Sai số tuyệt đối xấp xỉ 5%

Qua đó, ta kết luận số liệu phù hợp với dữ liệu thực tế

Nhận xét sai số:

• Sai số do dụng cụ

• Sai số do người thực hiện thí nghiệm lấy số liệu không chuẩn xác

• Sai số do tổn thất: do rò nhiệt, hệ thống hoạt động không ổn định

Khắc phục:

• Tiến hành thí nghiệm nhiều lần để lấy giá trị trung bình và hạn chế sai số

• Tăng thời gian thí nghiệm để hệ thống ổn định

• Lấy số liệu đúng cách để tránh sai số (nhìn vuông góc với nhiệt kế)

2.8 Tài liệu hướng dẫn:

Tài liệu thí nghiệm nhiệt động lực học, Nguyễn Văn Hạnh

THÍ NGHIỆM NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT 23

3.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA THÍ NGHIỆM

3.1.2 Yêu cầu chuẩn bị

Sinh viên tìm hiểu các phần lý thuyết trước khi tiến hành thí

nghiệm: Các dạng truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ

Công thức tính nhiệt lượng cho quá trình nhận nhiệt và nhả nhiệt

của nước Công thức tính hệ số truyền nhiệt và hệ số Reynold

3.2 MÔ TẢ THÍ NGHIỆM

3.2.1 Thiết bị và vật tư thí nghiệm

Thiết bị gồm 2 bộ trao đổi nhiệt (bộ trao đổi nhiệt kiểu ống xoắn và bộtrao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc chùm ống) trong mỗi bộ trao đổi nhiệt haidòng môi chất có thể trao đổi nhiệt cùng chiều hoặc ngược chiều

Hình 3.1: Bộ trao đổi nhiệt kiểu ống xoắn

Hình 3.2: Bộ trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc chùm ống

Hình 3.3: Bộ đo lưu lượng của nước nóng và nước lạnh lần lượt FI1 và FI2

- Có 4 cảm biến nhiệt độ dùng đo nhiệt độ vào và ra của nước nóng và

nước lạnh đi qua bộ trao đổi nhiệt Nhiệt độ được hiển thị trên màn hình

Hình 3.4: Màn hình hiển thị nhiệt độ

Đặc điểm kỹ thuật:

- Bộ coil exchanger với bề mặt trao đổi nhiệt khoảng 0,1 m2, kí hiệu E2

- Coil làm từ thép không gỉ AISI 316, đường kính ngoài ống 12 mm, bề dày1mm, chiều dài 3500 mm

- Ống bọc ngoài làm từ thủy tinh borosilicate, đường kính trong 100 mm

- Bộ shell-and-tube exchanger, bề mặt trao đổi nhiệt khoảng 0,1 m2, kí hiệu E1

- Có 5 ống làm từ thép AISI 316, đường kính ngoài ống 10 mm, bề dày

1mm và chiều dài 900mm

- Ống bọc ngoài làm từ thủy tinh borosilicate, đường kính trong 50mm

- Có 13 khoảng chia với kích thước khoảng 75% đường kính

3.2.2 Mô tả thí nghiệm

Trước khi tiến hành thí nghiệm sinh viên thực hiện các bước sau:

- Kiểm tra các đường nước vào, nước ra được gắn chặt vào đường ống chưa? Kiểm tra xem có rò rỉ nước hay không.

- Kiểm tra nguồn điện

- Kiểm tra bình cấp nước nóng có đủ mực nước chưa, có được

gia nhiệt ổn định không

- Kiểm tra đóng các van xả đáy

- Bật công tắc bảng hiện thị nhiệt độ

- Bật bơm chạy các đường nước nóng và lạnh

- Nước nóng và nước lạnh chạy qua hai bộ trao đổi nhiệt và nhiệt độđược hiển thị trên màn hình

Bắt đầu tiến hành thí nghiệm với mỗi bộ trao đổi nhiệt Mỗi bộ trao đổinhiệt cho chuyển động cùng chiều và ngược chiều Tại mỗi trường hợp làmthí nghiệm cho thay đổi lưu lượng 5 lần, mỗi lần thay đổi lưu lượng có thểtăng hoặc giảm, có thể thay đổi lưu lượng môi chất có nhiệt độ cao hoặcmôi chất có nhiệt độ thấp

Lưu ý: Bài thí nghiệm này sử dụng điện 3 pha và có sử dụng nước nóng

nên sinh viên phải lưu ý thực hiện đầy đủ các yêu cầu đảm bảo an toàn từgiáo viên hướng dẫn

E1 (vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt cùng chiều:

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ΔT nóngT nóng ΔT nóngT lạnh

E1 (vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt nguợc chiều:

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ΔT nóngT nóng ΔT nóngT lạnh

E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt cùng chiều:

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ΔT nóngT nóng ΔT nóngT lạnh

E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt ngược chiều:

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ΔT nóngT nóng ΔT nóngT lạnh

F I 1=710 l

h=1.972∗10

−4m3s

Tính hệ số truyền nhiệt ở trao đổi nhiệt cùng chiều và ngược chiều

- Đối với dạng ống xoắn hệ số k ở trường hợp trao đổi nhiệt cùng chiều phần lớn

là lớn hơn ở trường hợp ngược chiều

Đối với dạng ống xoắn ở cả hai trường hợp trao đổi nhiệt cùng chiều và ngược chiều đều có dòng chảy với giá trị Re > 10 4, tức trường hợp này là chảy rối và có giá trị Re rất lớn

Bảng kết quả

1 Dạng vỏ bọc chùm ống, cùng chiều ( diện tích tiếp xúc A = 0.1343)

2 Dạng vỏ bọc chùm ống, ngược chiều ( diện tích tiếp xúc A = 0.1343)

3 Dạng vỏ bọc ống xoắn, cùng chiều ( diện tích tiếp xúc A = 0.1343)

4 Dạng vỏ bọc ống xoắn, ngược chiều ( diện tích tiếp xúc A = 0.1343)