Báo cáo thí nghiệm thiết bị trao Đổi nhiệt bài thí nghiệm thiết bị trao Đổi nhiệt khi sôi

Sự chuyển động của bọt hơi làm xáo động lớp chất lỏng, nhất là lớp chất lỏng sát bề mặt bị đốt nóng nên lượng nhiệt trao đổi giữa vách và chất lỏng sẽ lớn hơn rất nhiều so với trường hợp

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trường Cơ Khí Khoa Năng Lượng Nhiệt

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

Thiết bị trao đổi nhiệt

Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Thái Sơn

Mã lớp thí nghiệm: 735353

Họ và tên sinh viên: Vũ Hoàng Bách

MSSV: 20204262

Học kỳ: 2023.1

Hà nội, tháng 12, năm 2023

Bài thí nghiệm: Thiết bị trao đổi nhiệt khi sôi

Mục đích: Thiết bị trao đổi nhiệt khi sôi được thiết kế giúp sinh viên hiểu

được các khái niệm như: Diện tích trao đổi nhiệt, đặc biệt là các quá trình sôi, bay hơi, ngưng tụ Tính toán được lưu lượng môi chất lưng qua thiết bị trao đổi nhiệt

Quá trình sôi trên bề mặt bị đốt nong là quá trình có ý nghĩa lớn trong

kỹ thuật Để có quá trình sôi phải đảm bảo hai điều kiện sau:

- Có độ quá nhiệt: tw – ts > 0

- Có tâm hóa hơi

Các bọt hơi xuất hiện tại các tâm hóa hơi trên bề mặt bị đốt nóng sẽ lớn dần lên và đến một độ nhất định chúng sẽ tách khỏi bề mặt và dịch chuyển lên phía trên Sự chuyển động của bọt hơi làm xáo động lớp chất lỏng, nhất là lớp chất lỏng sát bề mặt bị đốt nóng nên lượng nhiệt trao đổi giữa vách và chất lỏng sẽ lớn hơn rất nhiều so với trường hợp đối lưu một pha

Trong quá trình sôi, nhiệt độ của khối chất lỏng cao hơn nhiệt độ bão hòa từ 0.1 đến 0.5 oC Ở sát bề mặt bị đốt nóng, nước được quá nhiệt lớn hơn Quan hệ giữa q, α, và độ quá nhiệt ∆t = ts – tw được mô tả bằng đồ thị sau

Ở vùng 1-2, ∆t còn bé, phụ tải nhiệt thấp do đó lượng nhiệt trao đổi chủ yếu là đối lưu tự nhiên

Vùng 2-3: Vùng sôi bọt q và α đều tăng lên nhanh, khi đạt tới giá trị tới hạn ở điểm C các bọt hơi tạo thành màng và trong một vài giây chế độ sôi chuyển nhanh từ sôi bọt thành sôi màng Ở chế độ này , do

có màng hơi ngăn cách chất lỏng và bề mặt đốt nóng nên hệ số tỏa nhiệt α giảm Khi tiến hành ngược lại, nếu đang ở chế độ sôi màng ta

sẽ chuyển đột ngột sang chế độ sôi bọt, sự chuyển chế độ đột ngột từ

3 sang 4 và từ 5 đến 6 sẽ kèm theo sự quá nhiệt hoặc quá lạnh đột ngột của bề mặt đốt nóng

2.1 Mô hình thiết bị thí nghiệm

- Nguyên lý:

Hình1: Hình ảnh thực của thiết bị thí nghiệm

Thiết bị bao gồm một bình chứa trong suốt Phía dưới bình chứa có một đầu đốt để cấp nhiệt trong phần lỏng ở trong bình Phía trên của bình có một thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống ruột gà Tóm lại thì đây là thiết bị trao đổi nhiệt

Hình2: Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của thiết bị thí nghiệm

Nhiệt ở đầu đốt nóng sẽ được cấp cho lỏng R141b ở trong bình R141b ở trong bình nhận nhiệt, sôi tạo thành hơi R141b Hơi bay lên sẽ trao đổi nhiệt cho thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống ruột gà ở phía trên nóc của bình Nước ở trong ống ruột gà sẽ giải nhiệt cho hơi R141b và ngưng nó thành lỏng chảy ngược xuống phía dưới

2.2 Thiết bị đo lường, bảo vệ

- Thiết bị có 04 đầu cảm biết nhiệt độ theo kiểu cảm biến nhiệt điện

trở RTD Pt-100 Các đầu đo nhiệt độ được đánh dấu từ T1 đến T4

và dùng để đo các nhiệt độ sau:

+ T1: Nhiệt độ môi chất R141b ở thể lỏng

+ T2: Nhiệt độ môi chất R141b ở thể hơi

+ T3: Nhiệt độ nước lạnh đi vào thiết bị

+ T4: Nhiệt độ nước lạnh đi ra thiết bị

Các thiết sensor được gắn cố định và có chốt an toàn Đầu ra của sensor sẽ được đưa đến các thiết bị hiện thị Dải đo nhiệt độ của các đầu sensor này là từ 0 đến 200oC

Ngoài ra , hệ thống còn có một cặp nhiệt loại T được hàn trên bề mặt đốt nóng để đo giá trị nhiệt độ bề mặt kim loại của thiết bị đốt nóng gọi là T5 Giá trị được hiển thị của đầu đo là giá trị nhiệt độ tức thời của bề mặt đốt nóng (PV – Present Value) Nếu giá trị này vượt quá giá trị cài đặt (SV – Set Value) thì thiết bị đốt nóng sẽ dừng hoạt động Giá trị này có thể đặt tới 165oC

- Sensor áp suất ở phía trên được nối với một bộ chuyển đổi tín hiệu cơ học (dịch chuyển của cơ cấu màng áp suất) thành tín hiệu điện có dải từ 4-20mA Tín hiệu này tương ứng với áp suất tuyệt đối ở dải 0,00 – 6.00 bar Phía sau sensor áp suất có một bộ chia

một đầu sẽ đi đến Rơ le áp suất, đầu còn lại sẽ đưa đến van giảm

áp Rơ le áp suất sẽ cắt đầu đốt nóng khi áp suất ngưng vượt quá giá trị đặt Ở đây giá trị của rơ le áp suất là 2.5 bar Và nếu trong trường hợp rơ le có sự cố thì van giảm áp sẽ tác động khi áp suất ngưng tụ đạt tới giá trị 3.5 bar

3 Trình tự thí nghiệm

- Bật công tắc cấp nguồn cho hệ thống

- Bật bơm nước cấp cho hệ thống

- Lấy số liệu ban đầu lúc chưa bật thiết bị đốt nong

- Bật thiêt bị đốt nóng

- Lấy giá trị số liệu T1, T2, T3, T4, T5, T1, Q, G rồi ghi vào bảng

Cứ 3 - 5 phút lặp lại một lần

- Sau khi lấy số liệu xong thì lần lượt tắt thiết bị đốt nóng, tắt bơm, tắt nguồn cho hệ thống

4 Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu

 

Time T1, oC T2, oC T3, oC T4, oC T5, oC P1, bar Q, W

Gwater,

L/min Before start 14:54 21.8 22.8 21.7 21.8 21 1.09 0 2.5

  14:57 34.2 22.9 21.7 21.9 53 1.19 38 2.5

  15:00 38.1 23.4 21.7 21.8 56 1.28 38 2.5   15:03 41.3 23.7 21.7 21.8 59 1.4 39 2.5   15:06 43.6 24.6 21.6 21.8 62 1.5 38 2.5   15:09 44.6 25.9 21.7 21.9 63 1.54 39 2.5   15:12 44.9 27.3 21.7 21.9 63 1.55 39 2.5

  15:18 45.1 27.7 21.7 22 64 1.56 38 2.5   15:21 45.2 27.8 21.8 22 64 1.56 40 2.5   15:24 45.3 28.1 21.7 22.1 64 1.57 41 2.5   15:27 45.2 28.1 21.7 22 64 1.56 38 2.5   15:30 45.2 28.2 21.7 22 64 1.56 39 2.5   15:33 45.2 28.2 21.6 21.9 64 1.56 38 2.5   15:38 45.3 28.2 21.7 22 64 1.56 38 2.5   15:43 45.3 28.2 21.7 21.9 64 1.57 40 2.5   15:48 45.3 28.5 21.6 21.9 64 1.57 40 2.5   15:53 45.3 28.3 21.6 21.9 64 1.56 41 2.5   15:58 45.3 28.4 21.6 21.9 54 1.56 40 2.5   16:03 45.2 28.2 21.6 21.8 64 1.56 40 2.5

Dừng lấy số liệu Final 17:00 45.1 27.8 21.4 21.8 64 1.56 38 2.5

Bảng 1: Bảng thông số thí nghiệm xác định các giá trị nhiệt độ áp suất trong

thiết bị trao đổi nhiệt khi sôi

Từ số liệu ở bảng 1 ta có thể tính toán lượng lỏng R141b ngưng

tụ với số liệu cuối cùng thông qua phương pháp được trình bày dưới đây

- Lượng nhiệt mà nước làm mát lấy đi là

- Lượng nhiệt mà nước làm mát lấy đi là:

Q = Gc.Cp.(T4 tb - T3)

Trong đó:

G là lưu lượng khối lượng nước làm mát (kg/s)

Cp là nhiệt dung riêng của nước làm mát (kJ/kgK) Tra theo nhiệt độ trung bình

TTB=(T3+T4)/2

Từ nhiệt độ trung bình tra bảng thông số vật lý của nước trên đường bão hòa ta được Cp = 4185.8 (J/kgK) và khối lượng riêng của nước ρ1 = 1005 kg/m^3

Ta phải đổi đơn vị lưu lượng nước làm mát qua hệ thống từ đơn

vị l/min thành đơn vị kg/s

Gwater = 2 (l/min) ⇒ G=(Gwater / (1000))/60 ρ1 =

(2/1000)/60 1005 = 0.041875 (kg/s) Q1 = 0.041875 4185.8 (21.8 – 21.6) = 35.0561 (W)

- Giả sử trao đổi nhiệt là hoàn toàn và bỏ qua tổn thất thì môi chất truyền bao nhiêu nhiệt thì nước làm mát nhận bấy nhiêu Suy ra ta

có thể thông qua Q1 để tính lượng môi chất ngưng tụ

Q2 = Q1 = Gref. r Tra bảng thông số nhiệt động của môi chất lạnh R141b ở p=1.56 bar

ta có thông số nhiệt ẩn hóa hơi của môi chất lạnh là:

r = 151.525 (kJ/kg) Suy ra ta có thể tính lưu lượng môi chất ngưng tụ là:

Gref = Q1/r = 35/(151.525 1000) = 0.23 (kg/s) Tra thông số nhiệt động của R141b ta có v1 = 1194 m3/kg Suy ra lưu lượng thể tích của môi chất ngưng tụ là:

Vref = 0.23*1194/(10002) = 0.19 (ml/s)

5 Nhận xét

- Thời gian càng nhiều thì nhiệt độ nước làm mát ra càng ổn định

- Nhiệt lượng mà nước làm mát nhận được so với nhiệt lượng mà hơi, môi chất tỏa ra khi ngưng tụ (nhiệt lượng nước lấy và nhiệt

ẩm hóa hơi) trên thực tế có sự sai khác do tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường và hệ thống thiết bị thí nghiệm có sai số

- Qua nghiên cứu quá trình ngưng tụ của môi chất, ta nhận thấy quá trình ngưng tụ của môi chất diễn ra trong thực tế là rất phức tạp

Trong quá trình ngưng tụ có sự chuyển động của dòng hai pha và quá trình chuyển đổi pha từ pha hơi sang pha lỏng nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, cho nên việc nghiên cứu quá trình ngưng tụ có ý nghĩa rất thực tế, giúp chúng ta xác định được các điều kiện xảy ra của quá trình ngưng tụ, các yếu tố ảnh hưởng, từ đó chúng ta sẽ có

sự tính toán, thiết kế, bố trí các bề mặt trao đổi nhiệt sao cho hợp

lý, góp phần đáng kể vào việc nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt, giảm chi phí đầu tư, từ đó dẫn đến giảm giá thành sản phẩm

Bài thí nghiệm: Thiết bị trao đổi nhiệt khi dòng chuyển động ngang qua

dòng ống

Mục đích: Truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức khi dòng nhiệt chuyển động

ngang chùm ống So sánh quá trình giải nhiệt của bề mặt kim loại khi có hoặc không sử dụng chùm ống trong các điều kiện không bật quạt, bật quạt tốc độ thấp, bật quạt tốc độ cao

1 Cơ sở lý thuyết

Trong kỹ thuật, các thiết bị trao đổi nhiệt thường gồm nhiều ống, đặc tính chuyển động của chất lỏng hay chất khí qua chùm ống theo một cách nhất định, thông thường có hai cách bố trí:

- Bố trí song song

- Bố trí so le

Do ảnh hưởng qua lại giữa các ống, đặc tính chuyển động của chất lỏng hay chất khí qua chùm ống khác nhiều so với trường hợp chảy ngang qua một ống

Các bước ống ngang b, bước ống dọc a và đường kính ống d sẽ quyết định đặc tính chuyển động, vì vậy nó là những đại lượng đặc trưng của chùm ống

Đối với chùm ống song song, đặc tính bao của chất lỏng ở dãy ống thứ nhất giống như ống đơn Nhưng từ dãy ống thứ hai trở đi thì phần trước và phần sau của các ống đều nằm trong vùng xoáy của các dãy ống trước nó

và không bị va đập của dòng chảy

Đối với chùm ống so le, đặc tính chuyển động của dãy ống thứ nhất cũng giống như ống đơn các dãy sau nó chịu va đập của dòng chảy gần nhau

Do ảnh hưởng qua lại giữa các dãy ống mà ở chùm ống, hệ số toả nhiệt của dãy ống thứ hai sẽ lớn hơn dãy ống thứ nhất và dãy ống thứ ba sẽ lớn hơn dãy ống thứ hai nói chung hệ số toả nhiệt từ dãy ống thứ ba trở đi là

ổn định

Mô hình thiết bị bao gồm 10 hàng ống, hệ số trao đổi nhiệt trung bình của 10 hàng ống được tính như sau:

h D

k f =C1.( ℜmax)n

ở đây: Remax = (Vmax.D)/Vf

Các hằng số: c1 và n cho trong bảng dưới đây:

0,4 - 4 0,989 0,33

4 - 40 0,911 0,385

40 - 4.000 0,683 0,466 4.000 - 40.000 0,193 0,618 40.000 - 400.000 0,0266 0,805

Hệ số dẫn nhiệt kf được tính như sau:

k f= ¿(0,0000438tf + 0,0139774) (1,729577)

Vf = (0,11tf + 13,91) (9,290.10-7)

Vmax= (V ∞ a/2) chia cho giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị (a-D)/2 và

√(a−D )2

−b2

−D

Giá trị đúng là giá trị lớn hơn trong 2 giá trị tính theo (2.1a) và (2.1b) Cho: D = 0,0127m

a = 3D = 0,0508m

2 Thiết bị thí nghiệm

Hình 3: Mô hình thiết bị trao đổi nhiệt khi dòng chuyển động ngang qua chùm ống

HE350

- Bật công tắc cấp nguồn cho hệ thống

- Đối với trường hợp làm nguội không dùng chùm ống

+ Bật công tắc cấp nguồn cho thiết bị đốt nóng, cấp nhiệt đến khi nào nhiệt độ bề mặt tấm kim loại đạt 100oC

+ Tắt nguồn thiết bị đốt nóng

+ Lấy số liệu cho trường hợp làm nguội không quạt, khoảng

1-2 phút lấy số liệu một lần

+ Dừng lấy số liệu khi 3 giá trị liền kề nhau có độ chênh nhỏ hơn một

+ Lặp lại tương tự cho trường lớp làm nguội có bật quạt tốc độ thấp và làm nguội có bật quạt tốc độ cao

- Đối với trường hợp làm nguội có sử dụng chùm ống

+ Lắp chùm ống trên tấm của ống thống gió thẳng đứng

+ Bật công tắc cấp nguồn cho thiết bị đốt nóng, cấp nhiệt đến khi nào nhiệt độ bề mặt tấm kim loại đạt 100oC

+ Tắt nguồn thiết bị đốt nóng

+ Lấy số liệu cho trường hợp làm nguội không quạt, khoảng

1-2 phút lấy số liệu một lần

+ Dừng lấy số liệu khi 3 giá trị liền kề nhau có độ chênh nhỏ hơn một

+ Lặp lại tương tự cho trường lớp làm nguội có bật quạt tốc độ thấp và làm nguội có bật quạt tốc độ cao

0 5 10 15 20 25 30 0

20

40

60

80

100

120

Làm nguội có sử dụng chùm ống Làm nguội không quạt Làm nguột quạt tốc độ thấp Làm nguội quạt tốc độ cao

accumulated time (min)

Hình 4: Đường cong làm nguội khi có sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu chùm ống

Đồ thị hình 4 mô tả khả năng làm nguội từ của bề mặt tấm kim loại có sử dụng chùm ống trong các điều kiện làm nguội khác nhau Có thể dễ dàng thấy đường cong làm nguội không quạt có độ dốc thoải hơn so với hai trường hợp là làm nguội có quạt tốc độ thấp và làm nguội có quạt tốc độ cao Ngoài

ra việc có sự dụng quạt đã làm giảm nhiệt độ làm nguội của bề mặt kim loại xuống (trung bình 27.7oC) thấp hơn khi không sử dụng quạt (53.5oC) Và khi bật quạt tốc độ cao thì thời gian làm nguội xuống cùng một giá trị nhiệt độ là nhanh hơn Ví dụ là để làm nguội xuống 27.7oC thì khi bật quạt tốc độ cao mất 20 phút còn khi bật quạt tốc độ thấp mất 26 phút

0.000 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 20

40 60 80 100 120

Làm nguội Làm nguội không quạt Làm nguội quạt tốc độ thấp làm nguội quạt tốc độ cao

accumulated time (min)

Hình 5: Đường cong làm nguội khi không sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu

chùm ống

Đồ thị hình 5 mô tả khả năng làm nguội từ của bề mặt tấm kim loại không

sử dụng chùm ống trong các điều kiện làm nguội khác nhau Có thể dễ dàng thấy đường cong làm nguội không quạt có độ dốc thoải hơn so với hai trường hợp là làm nguội có quạt tốc độ thấp và làm nguội có quạt tốc độ cao Ngoài

ra việc có sự dụng quạt đã làm giảm nhiệt độ làm nguội của bề mặt kim loại xuống (dưới 40oC) thấp hơn khi không sử dụng quạt (52.6oC) Và khi so sánh hai đường cong làm nguội quạt tốc độ thấp và làm nguội quạt tốc độ cao thì

Có thể thấy là việc bật quạt tốc độ cao có thể hạ xuống nhiệt độ thấp hơn (28.7oC) bật quạt tốc độ thấp (25.7oC)

5 Nhận xét

Từ hai đồ thị trên ta có thể nhận xét là:

- Trao đổi nhiệt có sử dụng chùm ống hiệu quả hơn việc trao đổi nhiệt không sử dụng chùm ống Có thể dễ dàng nhận thấy qua hai đồ thị ở trên là trong 5 phút thì khi sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu chùm ống thì nhiệt độ có thể hạ xuống 38oC còn không sử dụng thì nhiệt

độ ở khoảng 53oC Và điều này là đúng cho cả 3 trường hợp mặc dù

sự khác biệt rõ rệt nhất là ở trường hợp bật quạt tốc độ cao

- Có thể thấy là hiệu quả giải nhiệt khi bật quạt tốc độ cao là tốt nhất Trong trường hợp có sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng chùm ống thì để cùng xuống đến 40oC thì việc bật quạt tốc độ cao mất 5 phút, bật quạt tốc độ thấp mất 7 phút còn không bật quạt thì trong khoảng thời gian thí nghiệm không xuống được nhiệt độ đấy

- Theo lý thuyết thì đường cong giải nhiệt phải là một đường cong liên tục nhưng theo đồ thị thì đường cong có những điểm gồ ghề Điều này có thể là do nhiễu tín hiệu của đầu đo, nhiễu do môi trường

và cũng có thể là những yếu tố chủ quan do người lấy số liệu