Mục đích thí nghiệm: - Làm quen với thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống, các dụng cụ đo nhiệt độ và lưu lượng lưu chất.. - Xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt giữa ha
TRÍCH YẾU
Mục đích thí nghiệm
- Làm quen với thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống, các dụng cụ đo nhiệt độ và lưu lượng lưu chất.
- Xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt giữa hai dòng nóng và lạnh qua vách kim loại ở các chế độ chảy khác nhau.
- Thiết lập cân bằng nhiệt lượng.
Nội dung thí nghiệm
- Khảo sát sự ảnh hưởng theo phương pháp truyền nhiệt song song cùng chiều, song song ngược chiều và vuông góc.
- Đo nhiệt độ dòng nóng, nhiệt độ dòng lạnh trước khi vào ống và sau khi ra khỏi ống.
THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
Thiết bị
Hệ thống thiết bị thí nghiệm có hai kiểu kết cấu bề mặt truyền nhiệt như sau:
- Kiểu A: loại ống lồng ống mà lưu chất chảy ngang mặt ngoài của ống trong Hai dòng chảy có phương vuông góc với nhau.
- Kiểu B: loại ống đơn giản, lưu chất chảy ngang bề mặt ngoài của ống trong Hai dòng chảy có phương song song với nhau.
Kiểu ống Đường kính (mm)
Chiều dài (mm) Ống trong Ống ngoài
III – Lưu lượng kế dòng nóng
IV – Lưu lượng kế dòng lạnh
A – Bộ trao đổi nhiệt dạng dòng chảy vuông góc
B1 – Bộ trao đổi nhiệt dạng dòng chảy song song ngược chiều
B2 – Bộ trao đổi nhiệt dạng dòng chảy song song cùng chiều
1 – Van cấp nước cho bồn chứa
2, 3 – Van chỉnh lưu lượng dòng nóng
4, 5, 6 – Van đóng mở dòng nóng vào các bộ trao đổi nhiệt
7 – Van chỉnh lưu lượng dòng lạnh
8, 9, 10 – Van đóng mở dòng lạnh vào các bộ trao đổi nhiệt
11 – Van xả đáy bồn chứa
Trình tự thí nghiệm
- Kiểm tra lượng nước trong bồn.
- Mở cầu dao nguồn, bật công tắc NGUỒN trên hộp điều khiển.
- Bật công tắc GIA NHIỆT Đèn hoạt động màu đỏ sáng.
- Sau khi nước trong bồn gia nhiệt ổn định nhiệt độ, bắt đầu làm thí nghiệm.
- Mở van 3, bấm nút BƠM, đèn hoạt động của bơm sáng Bơm ly tâm hoạt động và bơm tuần hoàn
- Chờ một thời gian để bơm ổn định và mở các cặp van tương ứng: 4/8, 5/9, 6/10 Điều chỉnh cặp van 2, 3 để điều chỉnh lưu lượng dòng nóng và chỉnh van
7 để điều chỉnh lưu lượng dòng lạnh theo yêu cầu Chỉ số lưu lượng được đọc trên lưu lượng kế.
- Chờ khoảng 5-10 phút khi quá trình đã ổn định, ấn và giữ nút để xem nhiệt độ tại vị trí tương ứng.
- Sau khi đo xong tất cả các thông số cần thiết, tắt công tắc GIA NHIỆT, tiếp theo tắt BƠM, tắt công tắc nguồn CB Mở nắp bồn gia nhiệt cho nước nguội bớt Khóa tất cả các van lại Đợi khi nước đã nguội rồi mở van 11 để xả hết nước trong bồn chứa gia nhiệt.
SỐ LIỆU VÀ XỬ LÍ SỐ LIỆU
Kết quả – số liệu thô
Bảng 1 Số liệu thô ống B2.
1.1.1 Tính nhiệt lượng Q của dòng nóng và dòng lạnh và tổn thất nhiệt Q f :
Trường hợp lưu lượng dòng nóng G1 = 4 L/phút, lưu lượng dòng lạnh G2 = 4 L/phút trong dòng nóng ống B2:
Ta có nhiệt độ dòng nóng:
Nhiệt độ trung bình của dòng nóng trong ống: t 1tb =( t 1 V +t 1 R )
Từ t1tb trong bảng và phương pháp nội suy ta tìm được khối lượng riêng và nhiệt dung riêng của lưu chất:
Ta có nhiệt độ dòng lạnh:
Nhiệt độ trung bình của dòng lạnh trong ống: t 2tb =( t 2 V +t 2 R )
Bảng 1 Nhiệt lượng Q dòng nóng, dòng lạnh và tổn thất nhiệt Qf (ống B2).
1.1.1 Tính giá trị Δt log với Δt max = t 1V – t 2V và Δt min = t 1R – t 2R :
- t l : hiệu số nhiệt độ lớn giữa các chất tải nhiệt.
- t N : hiệu số nhiệt độ nhỏ giữa các chất tải nhiệt
(Ta tính toán theo công thức trên, nếu Δt1 và Δt2 hiệu số nào có giá trị lớn hơn thì gọi là Δt1 và ngược lại nhỏ hơn thì gọi là ΔtN, thế vào công thức Δtlog ta tính toán).
Bảng 1 Giá trị ∆ t log (ống B2).
G nóng (L/ph) G lạnh (L/ph) Δt max ( o C) Δt min ( o C) Δt log ( o C)
1.1.1 Tính hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm K L :
Trường hợp lưu lượng dòng nóng Gn = 4 L/phút, lưu lượng dòng lạnh: Gl = 4 L/phút:
Bảng 1 Hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm KL (ống B2).
1.1.1 Xác định chế độ chảy của lưu chất bằng chuẩn số Re
Đối với dòng nóng thì tiết diện ống là F = π d 2 / 4 và đường kính ống (cả ống A và B) ta lấy bằng đường kính trong của ống trong, tức d = 14 mm 0,014m.
Đối với dòng lạnh thì tiết diện ống mà lưu chất chảy qua sẽ tính bằng công thức sau: F = π (0,026 2 −0,016 2 )/4. l : kích thước hình học đặc trưng
Đối với dòng nóng thì kích thước hình học đặc trưng (cả ống A và B) sẽ bằng đường kính trong của ống trong, tức l = 14 mm = 0,014m.
Đối với dòng lạnh thì ta chia thành 2 trường hợp:
Đối với ống A: l = đường kính ngoài của ống trong = 0,016 m (do dòng lạnh chảy men theo phía ngoài thành ống vuông góc với dòng nóng).
2 )/ 4 π ( d 2 + d 1 ) = d 2 − d 1 = 0,026 − 0,016 = 0 , 01 m ρ : khối lượng riêng của lưu chất tra bảng và tính nội suy theo nhiệt độ trung bình của dòng nóng (đối với dòng nóng) và theo nhiệt độ trung bình của dòng lạnh ( đối với dòng lạnh) μ : độ nhớt của lưu chất tra bảng theo nhiệt độ như khối lượng riêng ở trên.
Trường hợp lưu lượng dòng nóng Gn = 4 L/phút, lưu lượng dòng lạnh Gl = 4 L/phút:
Tính cho dòng nóng: ρ6 , 26 kg/m 3 μ n = 0,000317 N.s/m 2
Tính cho dòng lạnh: ρ3 , 27 kg/m 3 μ l = 0,000699 N.s/m 2
ℜ l = w l ρ μ = 0,2022× 0,000699 0 , 01× 993 , 27 =¿ 2873,24 Áp dụng cách tính ở trên ta có kết quả tính toán như sau:
Bảng 1 Chuẩn số Re của dòng nóng và dòng lạnh (ống B2).
1.1.1 Xác định chuẩn số Pr của dòng B2
Bảng 1 Xác định chuẩn số Pr của dòng nóng B2
Bảng 1 Xác định chuẩn số Pr của dòng lạnh B2
Tính hệ số cấp nhiệt α1, α2: Δt 1 = t log −(1 ÷ 2)
- ℜ 1 , ℜ 2 : chuẩn số Reynold của dòng nóng và dòng lạnh. Δt 1 = t log −(1 , 5)
Nhiệt độ của thành ống: t v1 =t 1tb −t 1 t v 2 =t 2tb −t 2
- t 1tb , t 2tb : nhiệt độ trung bình của dòng nóng và dòng lạnh
Từ t v 1, t v2 tra bảng tìm được chuẩn số Prv của dòng nóng và dòng lạnh.
5 < Re < 103 Nu = 0,5.Re 0,5 Pr 0,38 (Pr/Prv) 0,25
103 Re < 2,105 Nu = 0,25.Re 0,6 Pr 0,38 (Pr/Prv) 0,25
2,105 Re 2,106 Nu = 0,023.Re 0,8 Pr 0,37 (Pr/Prv) 0,25
Re < 2320 Nu = 0,15.Re 0,33 Pr 0,43 Gr 0,1 (Pr/Prv) 0,25
2320 < Re 10000 Nu = 0,021.Re 0,8 Pr 0,43 (Pr/Prv) 0,25
(Hệ số C, 1 tra bảng). α 1 =(Nu 1 ,❑1)/l α 2 =(Nu 2 ,❑2)/l
- Nu 1, Nu 2 : chuẩn số Nu của dòng nóng và dòng lạnh.
- ❑ 1 ❑ 2 : hệ số dẫn nhiệt của dòng nóng và dòng lạnh.
- l : kích thước hình học đặc trưng.
Kiểm tra lại Δt 1, Δt 2: Δt 1 = K , t log α 1 Δt 2 = K , t log α 2
14 =1 ,14 < 2, ta có thể xem bề mặt truyền nhiệt là tường phẳng nên K có thể được tính theo công thức sau (cho cả ống A và B):
- α 1 ,α 2 : hệ số cấp nhiệt ở 2 phía của tường (đã tìm được ở trên).
- δ : bề dày của lớp tường, δ =(0,016−0,014)/ 2=0,001m.
- λ : hệ số dẫn nhiệt của tường, do ống được làm bằng chất liệu thép không gỉ (inox) nên tra bảng ta tìm được hệ số dẫn nhiệt ¿ 23,334 W/m.K
Tính Δt 1, Δt 2, đem so sánh với Δt 1, Δt 2 tính trước đó, nếu sai số nhỏ hơn hoặc bằng 5% thì được chấp nhận, xem như kết quả tính toán đúng ta sẽ dùng hệ số cấp nhiệt α1, α2 này để tính hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết Kl *, nếu sai số lớn hơn 5% thì ta phải tính lặp lại như trên với việc bắt đầu với giá trị t1 và t2 mới này.
Kiểm tra phép tính lặp lần 1:
Sai số lớn hơn 5% nên tiếp tục phép tính lặp lần 2.
Kiểm tra phép tính lặp lần 2:
Sai số nhỏ hơn 5% nên ta chấp nhận kết quả của phép tính lặp lần 2
Bảng 1 Hệ số cấp nhiệt (ống B2).
Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết KL*
Vì là thép không rỉ: λ thépkhông gỉ ,5( W mK)
Bảng 1 Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết (ống B2).
Bảng 1 Kết quả tính K L ¿và K L theo chế độ chảy (ống B2).
Bảng 1 Số liệu thô ống B1.
Bảng 2 Nhiệt lượng Q dòng nóng, dòng lạnh và tổn thất nhiệt (ống B1).
Bảng 1 Giá trị ∆ t log (ống B1).
Bảng 1 Hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm KL (ống B1).
G nóng G lạnh Q n Q l L Δt log K Ln K Ll
Bảng 1 Chuẩn số Re của dòng nóng và dòng lạnh (ống B1).
Bảng 1 Xác định chuẩn số Pr của dòng nóng B1
Bảng 1 Xác định chuẩn số Pr của dòng lạnh B1
Hệ số cấp nhiệt (từ tính lặp).
Kiểm tra phép tính lặp lần 1:
Sai số lớn hơn 5% nên tiếp tục phép tính lặp lần 2:
Kiểm tra phép tính lặp lần 2:
Sai số nhỏ hơn 5% nên ta chấp nhận kết quả của phép tính lặp lần 2
Bảng 1 Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết (ống B1).
Bảng 1 Kết quả tính K ¿ L và K L theo chế độ chảy (ống B1).
Bảng 1 Số liệu thô ống A.
Bảng 2 Nhiệt lượng Q dòng nóng, dòng lạnh và tổn thất nhiệt ống A.
Bảng 1 Giá trị ∆ t log (ống A).
Bảng 1 Hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm KL (ống A).
Bảng 1 Chuẩn số Re của dòng nóng và dòng lạnh (ống A).
Bảng 1 Xác định chuẩn số Pr của dòng nóng A
Bảng 1 Xác định chuẩn số Pr của dòng lạnh A
Hệ số cấp nhiệt (từ tính lặp).
Kiểm tra phép tính lặp lần 1:
Sai số lớn hơn 5% nên tiếp tục phép tính lặp lần 2
Kiểm tra phép tính lặp lần 2:
Sai số nhỏ hơn 5% nên ta chấp nhận kết quả của phép tính lặp lần 2
Bảng 1 Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết (ống A).
Bảng 1 Kết quả tính K L ¿và K L theo chế độ chảy (ống A).
ĐỒ THỊ CÁC MỐI QUAN HỆ
Đồ thị K L và K L * theo Re 1 ở chế độ chảy vuông góc (ống A)
Bảng 1 Giá trị của KL và KL* theo Re1 (ống A)
300 Đồ thị biểu diễn KL và KL* theo Re1 - Ống A
Bảng 1 Giá trị của KL và KL* theo Re2 (dòng lạnh) ở chế độ chảy chéo dòng
200 Đồ thị biểu diễn KL và KL* theo Re2 - Ống A
Đồ thị K L và K L * theo Re 1 ở chế độ chảy song song ngược chiều (ống B1)
Bảng 1 Giá trị của KL và KL* theo Re1 (ống B1)
250 Đồ thị biểu diễn KL và KL*theo Re1 - Ống B1
Bảng 1 Giá trị của KL và KL* theo Re2 (dòng lạnh) ống B1.
180 Đồ thị biểu diễn KL và KL* theo Re2 - Ống B1
Đồ thị K L và K L * theo Re 1 ở chế độ chảy song song cùng chiều (ống B2)
Bảng 1 Giá trị của KL và KL* theo Re1 (dòng nóng) ống B2.
250 Đồ thị biểu diễn KL và KL* theo Re1 - Ống B2
Bảng 1 Giá trị của KL và KL* theo Re2 (dòng lạnh) ống B2.
180 Đồ thị biểu diễn KL và KL* theo Re2 - Ống B2