Báo cáo thí nghiệm nhiệt Động lực học và truyền nhiệt bài 1 xác Định trạng thái không khí Ẩm và tính toán cân bằng nhiệt Ống khí

BÀI 1: XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI KHÔNG KHÍ ẨM 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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



BÁO CÁO THÍ NGHIỆM NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TRUYỀN NHIỆT

Lớp: L01 - Nhóm: 01 Giảng viên hướng dẫn: KS Thầy Nguyễn Văn Hạnh

Thành phố Hồ Chí Minh - 2023

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với quá trình hiện đại hóa, công nghiệp hóa đất nước, yêu cầu tự động hóatrong ngành chế tạo và sản xuất ngày càng cao Mặt khác với nền tảng công nghệ thôngtin, điện – điện tử phát triển ngày càng cao và nhu cầu của người tiêu dùng đòi hỏi sảnphẩm đạt độ chính xác và mang tính thẩm mỹ cao Trong thời gian làm bài báo cáo này,chúng em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình củathầy cô, gia đình và bạn bè

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Văn Hạnh, giảng viên

Bộ môn Công nghệ nhiệt lạnh - trường Đại học Bách Khoa TPHCM, người đã tận tìnhhướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm thí nghiệm

Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại học

Bách Khoa TPHCM nói chung, các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ nhiệt lạnh nóiriêng đã dạy cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành,giúp chúng em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trongsuốt quá trình học tập

Tuy chúng em đã có nhiều cố gắng, song kiến thức rộng và thực tế còn hạn chếkhó tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo của thầy để bài báocáo của em hoàn thiện hơn

BÀI 1: XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI KHÔNG KHÍ ẨM 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

Tại đầu ra của không 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: Mô hình ống khí động

1.3 Nhiệm vụ thí nghiệm

- Sinh viên điền tên gọi của các chi tiết trong hệ thống tương ứng với các

số vào bảng 1 dưới đây:

Bảng 1

1: Quạt gió 5: Nhiệt kế ướt 9: Bình đong 13: Máy nén 2: Ống khí động 6: Đồng hồ đo vận tốc, nhiệt gió 10: Van

3: Nhiệt kế khô 7: Áp kế đo bay hơi 11: Quạt

4: Dàn lạnh 8: Áp kế đo ngưng tụ 12: Giàn nóng

- Sử dụng các bầu nhiệt kế khô và nhiệt kế ướt để xác định trạng của không khí tại các vị trí trước dàn lạnh (cũng chính là trạng thái không khí của môi trường xung quanh) và sau dàn lạnh

- Sử dụng thiết bị đo tốc độ gió xác định vận tốc gió và nhiệt độ gió ra khỏi ống 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

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 và tính toán

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)

Bảng 2: Các thông số trạng thái của không khí ẩm:

 Entanpi không khí: I= 𝒕𝒌+ d (2500+ 𝟐𝒕𝒌) = 45,88(kj/kg)

Thực hiện tính toán tương tự với các lần 3,4 và ghi số liệu 𝒕𝒌, 𝒕ư ở trước

và sau dàn lạnh ta tìm được độ chứa hơi d và Entanpi I

 Đánh giá trạng thái không khí ẩm trước và sau khi đi qua dàn

Bảng 4: Các số liệu liên quan đến chu trình lạnh

Áp suất bay hơi đọc trên áp

kế (kgf/cm2)

Áp suất ngưng tụ đọc trên áp

kế (kgf/cm2)

p: khối lượng riêng của không khí (t = 15°C dò bảng 22 nội suy tuyến tính → p = 1,226 (kg/m3)

- Lượng ẩm tách ra giữa lý thuyết có chênh lệch với thực tế

- Trong lần đo thứ 3 và thứ 4 giá trị lượng ẩm tách ra của lý thuyết gần với thực tế nhất, tính toán từ lý thuyết thì lượng ẩm giảm dần nhưng không liên tục lý do là do ảnh hưởng sai số khi đo tốc độ gió và nhiệt

độ

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

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

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 và vật tư thí nghiệm

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

 Thước cặp, thước dây

2.2.2 Mô tả thí nghiệm

Để làm lạnh không khí trong buồng lạnh, bài thí nghiệm này sử dụng một hệ

thống lạnh với tác nhân lạnh R12 có sơ đồ nguyên lý được mô tả ở hình 2 Máy nén (A) nén hơi R12 từ áp suất sối p0 đến áp suất ngưng tụ pk Hơi R12 sau khi ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng không khí (B) được đi vào bình chứa cao áp (C) Sau đó lỏng R12 từ (C) đi qua van tiết lưu (I) để giảm áp suất

từ pk đến p0 và đi vào thiết bị bay hơi làm lạnh không khí (J) Hơi R12 ra khỏi (J) ở áp suất p0 được hút vào (A) và các quá trình của chu trình được lặp lại

Chu trình máy lạnh được biểu diễn trên đồ thị logp-I và T – S gồm các quá trình như sau:

1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt hơi trong máy nén

2-3: Quá trình ngưng tụ đẳng áp

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

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

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

Các áp kết 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 đo bằng các sensor T1 và T2

Nhiệt độ của khồng 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 đo bằng 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 khỏi thiết bị ngưng tụ, nhiệt độ của không khí trong buồng lạnh Sau đó kết hợp với kết 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 SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM

Bảng 1 – Các số liệu đo của các loại vật liệu

Áp suất tại đầu hút của máy nén (P0) (MPa)

Nhiệt độ môi trường (T3) (0C)

Nhiệt độ không khí sau dàn ngưng tụ (T4) (0C)

Nhiệt độ trong buồng lạnh (T6) (0C)

- Mật độ dòng điện q (W/m2) truyền qua mỗi vách:

𝑞 = 𝑇3− 𝑇61

𝛼1+ ∑

𝛿𝑖

𝜆𝑖

𝑛 𝑖=1 +𝛼1

−3 (𝑘𝑔/𝑆)

- Công nén đoạn nhiệt:

BÀI 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

3.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA THÍ NGHIỆM

3.1.1 Mục đích thí nghiệm

Quan sát quá trình trao đổi nhiệt của ống xoắn và vỏ bọc chùm ống

Tính hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt và hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt

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 bộ trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc chùm ống) trong mỗi bộ trao đổi nhiệt hai dòng môi chất có thể trao đổi nhiệt cùng chiều hoặc ngược chiều

Hình 1: bộ trao đổi nhiệt kiểu ống xoắn

Hình 2: bộ trao đổi nhiệt kiểu vỏ bọc chùm ống

Hình 3: Bộ đo lưu lượng nước nóng và nước lạnh lần lượt F11 và F12

- 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 4: Màn hình hiển thị nhiệt độ

Các đặc điểm kỹ thuật:

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

- Coil làm từ thép không gỉ AISI 316, đường kính ngoài ống 12 mm, bề dày 1mm, chiều dài 3500 mm

- Ông 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 m, kí hiệu El

- 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? 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 độ được hiển thị trên màn hình

Bắt đầu tiến hành thí nghiệm với mỗi bộ trao đổi nhiệt Mỗi bộ trao đổi nhiệt cho chuyển động cùng chiều và ngược chiều Tại mỗi trường hợp làm thí nghiệm cho thay đổi lưu lượng 5 lần, mỗi lần thay đổi lưu lượng có thể tăng hoặc giảm, có thể thay đổi lưu lượng môi chất có nhiệt độ cao hoặc môi 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 từ giáo viên hướng dẫn

3.3 NHIỆM VỤ THÍ NGHIỆM:

Lần lượt tiến hành các bài thí nghiệm sau và ghi số liệu:

a Sử dụng bộ E1 (vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt cùng chiều:

Mở các vạn V1, V6, V7, V8 và V10

Đóng các van V2, V3, V4, V5, V9 và V11

b Sử dụng bộ E1 (vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt ngược chiều:

Mở các van V1, V6, V7, V9 và V11

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

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ∆𝐓 𝐧ó𝐧𝐠 ∆T

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

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ∆𝐓 𝐧ó𝐧𝐠 ∆T

E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt cùng chiều:

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ∆𝐓 𝐧ó𝐧𝐠 ∆T

E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt ngược chiều:

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ∆T

BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt ngược chiều:

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ∆T

Q nóng Q lạnh ∆T ln k Re

1.5466 1.7952 116.0715 9.4295 1366.8562 2.65 47689.6283 1.5237 1.7262 113.0715 9.4295 1346.6338 2.48 44510.3197 1.4897 1.7256 115.8318 9.3706 1324.8646 2.30 41331.0112 1.5271 1.2682 83.05 10.111 1248.211 2.83 40941.2632 1.7559 1.3249 75.45 10.486 1383.899 3.01 45559.5991

Trình bày tính toán: (Chọn Test 2 của E2 ( ống xoắn ) trao đổi nhiệt ngược chiều

để tính mẫu cho các trường hợp còn lại)

TI1 = 50, 40C và TI 2 = 48,50C

Tra bảng 2.5 ta được:

Tính nhiệt trao đổi trong hệ thống và hiệu suất tổng tại các mức năng lượng thể tích khác nhau

Lưu lượng trong 2 ống

Chênh lệch giữa 2 ống

Nhiệt độ trao đổi trong 2 ống

Hiệu suất quá trình trao đổi nhiệt

Tính hệ số truyền nhiệt ở trao đổi nhiệt

E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt cùng chiều:

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ∆𝐓 𝐧ó𝐧𝐠 ∆T

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

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ∆𝐓 𝐧ó𝐧𝐠 ∆T

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

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ∆𝐓 𝐧ó𝐧𝐠 ∆T

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

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ∆𝐓 𝐧ó𝐧𝐠 ∆T

Q nóng Q lạnh 𝜼 ∆T ln k 𝝎 Re

2,6723 2,8932 108,2724 8,5744 2454,0181 0,7071 10283,6323 2,3445 2,4613 104,9732 8,7912 2099,8972 0,4429 6947,4598 2,2643 2,3824 105,2139 8,8355 2018,3544 0,4245 6878,2311 2,1236 2,3144 108,9868 9,0112 2123,3124 0,5398 7242,2421 2,3448 2,5721 109,6997 8,2153 2310,133e 0,5422 7212,1311

Nhận xét:

+ Hệ số k ở trường hợp trao đổi nhiệt ngược chiều lớn hơn ở trường hợp cùng chiều + Hệ số dẫn nhiệt k phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tốc độ chảy của lưu chất (ở đây lưu chất là nước), hình dạng thiết bị trao đổi nhiệt, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm nên thiết bị

+ Dòng chảy có Re > 104 (đa số lớn hơn 1 khoảng khá nhỏ và có mức giá trị Re từ

10000 đến 12000) là dòng chảy rối ở trường hợp trao đổi nhiệt cùng chiều và cả trường hợp ngược chiều