Hệ số truyền nhiệt lý thuyết KLT được xác định thông qua chế độ dòng chảy và các chuẩn số để tìm hệ số cấp nhiệt của dòng nóng và dòng lạnh.. Đồng thời tính nhiệt lượng dòng nóng tỏa ra,
Giới thiệu
Mục đích thí nghiệm
Sinh viên cần nắm vững cách vận hành thiết bị truyền nhiệt, hiểu rõ nguyên lý đóng mở van để điều chỉnh lưu lượng và hướng dòng chảy Họ cũng phải nhận biết các sự cố có thể xảy ra và biết cách xử lý tình huống hiệu quả.
Khảo sát quá trình truyền nhiệt trong các hệ thống đun nóng hoặc làm nguội gián tiếp giữa hai dòng chất lỏng qua bề mặt ngăn cách, như ống lồng ống, ống chùm và ống xoắn, là rất quan trọng Nghiên cứu này giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất truyền nhiệt và tối ưu hóa thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt Các phương pháp này không chỉ nâng cao hiệu quả năng lượng mà còn giảm thiểu chi phí vận hành trong các ứng dụng công nghiệp.
- Tính toán hiệu suất toàn phần dựa vào cân bằng nhiệt lượng ở những lưu lượng dòng khác nhau.
- Khảo sát ảnh hưởng của chiều chuyển động lên quá trình truyền nhiệt lên 2 trường hợp xuôi chiều và ngược chiều.
- Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị từ đó so sánh với kết quả tính toán theo lý thuyết KLT.
Cơ sở lí thuyết
Quá trình trao đổi nhiệt giữa hai dòng lưu chất qua bề mặt ngăn cách là một hiện tượng phổ biến trong các ngành công nghiệp như hóa chất, thực phẩm và hóa dầu Nhiệt lượng từ dòng lưu chất nóng sẽ được dòng lạnh hấp thụ, nhằm phục vụ cho các giai đoạn trong quy trình công nghệ như đun nóng, làm nguội, ngưng tụ hay bốc hơi Việc bố trí các dòng lưu chất một cách hợp lý sẽ giúp giảm tổn thất nhiệt và nâng cao hiệu suất của quá trình.
Hiệu suất trao đổi nhiệt phụ thuộc vào cách bố trí thiết bị và điều kiện hoạt động, trong đó chiều chuyển động của các dòng là yếu tố quan trọng quyết định.
- Cân bằng năng lượng khi 2 dòng lỏng trao đổi nhiệt gian tiếp:
+ Nhiệt lượng do dòng nóng tỏa ra:
+ Nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào:
Nhiệt lượng tổn thất là phần nhiệt lượng mà dòng nóng phát ra nhưng dòng lạnh không thể thu hồi, thường xảy ra do quá trình trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh.
Mặt khác nhiệt lượng trao đổi cũng có thể tính theo công thức:
Nhiệt lượng trao đổi được xác định bởi công thức Q = K F Δtlog, cho thấy rằng nó phụ thuộc vào kích thước thiết bị F và cách bố trí các dòng chảy Δtlog Vì thiết bị phần cứng khó thay đổi, nên nhiệt lượng trao đổi chủ yếu phụ thuộc vào cách bố trí dòng chảy.
Ta có các cách bố trí sau:
+ Chảy xuôi chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song cùng chiều với nhau.
+ Chảy ngược chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song nhưng ngược chiều với nhau. 1
Chảy chéo dòng: lưu thể 1 và lưu thể 2 chảy theo phương vuông góc
- Chảy hỗn hợp: lưu thể 1 chảy theo hướng nào đó còn lưu thể 2 thì có đoạn chảy cùng chiều có đoạn chạy ngược chiều có đoạn chảy chéo dòng.
- Tùy vào cách bố trí mà ta có phương pháp xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích logarit Δtlog khác nhau: Δtlog ∆ t max −∆ t min ln∆ t max
Trường hợp chảy ngược chiều:
Hình 6.1: Đặc trưng thay đổi nhiệt độ khi chảy ngược chiều
Trong trường hợp hai lưu thể chảy ngược chiều dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt, lưu thể nóng sẽ giảm nhiệt độ trong khi lưu thể nguội sẽ tăng nhiệt độ Sự thay đổi này được thể hiện rõ ràng qua giản đồ mô tả quá trình trao đổi nhiệt giữa hai lưu thể.
Trường hợp hai lưu thể chảy xuôi chiều:
Trong trường hợp hai lưu thể chảy xuôi chiều dọc bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độ của lưu thể nóng sẽ giảm trong khi nhiệt độ của lưu thể lạnh tăng lên Điều này có thể được minh họa qua giản đồ mô tả quá trình trao đổi nhiệt giữa hai lưu thể.
Hình 6.2: Đặc trưng thay đổi nhiệt độ khi chảy xuôi chiều
Nếu trong quá trình truyền nhiệt khi tỷ số ∆ t ∆ t max min
50 => ε k = 1
Tính hệ số cấp nhiệt dòng lạnh tương tự nhưng thay các chỉ số dòng nogs bằng dòng lạnh α 2 = Nu λ d nước td = 8,063 0,0279 1,159 = 334,97
Dựa vào chuẩn số Reynolds :
Trong đó ω là vận tốc dòng lạnh : ω G L π
D+nd = 0,0279 (m) Ʋ là độ nhớt của dòng nóng tra bảng , Ʋ = 0,91.10 −6 ( m 2 /s)
Dựa vào chuẩn số Reynolds :
Chuẩn số Prandtl , Pr = 2,84 λ dòng = 1,159 ( W/m.K )
Hệ số hiệu chỉnh ε k phụ thuộc vào giá trị Re và d L i = => ε k = 1,47 Chuẩn số Grashoff
(7,94.10 −7 ) 2 = 4569,24 Với g = 9,81 m/s 2 , 1 là đường kính tương đương ở đây l = d td β là hệ số giãn nở thể tính được tính bằng β = T 1
Xác định hệ truyền nhiệt lý thuyết
Trường hợp ngược chiều
- Nhiệt độ trung bình của dòng nóng :
- Nhiệt độ trung bình của dòng lạnh :
Lưu lượng khối lượng của dòng nóng và dòng lạnh :
Hiệu suất nhiệt độ dòng nóng và dòng lạnh : ΔTN = T Nv −T Nr = 78,7 - 44,9 = 33,8 ℃ ΔTL = T Lr −T Lv = 35,2 - 28,5 = 6,7 ℃
Nhiệt độ do dòng nóng tỏa ra :
QN= GN.CN ∆ TN = 0,06548186667 x 4179 x 33,8 = 9249,326764 (W) Nhiệt lượng đo dòng lạnh thu vào :
QL= GL.CL ∆ TL = 0,2653473333 x 4174 x 6,7 = 7420,650454 (W) Nhiệt lượng tổn thất :
Nhiệt lượng trao đổi cũng có thể tính theo công thức :
∆ tmin= ∆ t2 = TNr – TLr = 44,9 - 35,2 = 9,7 ℃ Δtlog ∆ t max − ∆ t min ln ∆ t max
- Hiệu suất nhiệt độ trong các quá trình truyền nhiệt của dòng nóng và dòng lạnh lần lượt là: η N = T T Nv −T Nr
- Hiệu suất nhiệt độ hữu ích : ηhi = η N +η L
- Hiệu suất của quá trình truyền nhiệt: η = Q Q L
9249,326764 100% = 80,23 % Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm:
Tính hệ số cấp nhiệt α 1( dòng nóng )
Trong đó ω là vận tốc dòng nóng : ω G N π
1000.60 3 14.0,008 2 19 ) = 0,00028 ( m/s ) Ʋ là độ nhớt của dòng nóng tra bảng
Dựa vào chuẩn số Reynolds :
N u = 0,021 ε k ℜ 0 ,8 Pr 0 ,43 ( đơn giản cho Pr Pr r = 1 ) Tra bảng :
Chuẩn số Prandtl , Pr = 1,6021 và λ dòng nóng = ( m k W ) = 1,232
Hệ số hiệu chỉnh ε k phụ thuộc vào giá trị Re và d L i => 50 => ε k = 1
Tính hệ số cấp nhiệt dòng lạnh tương tự nhưng thay các chỉ số dòng nogs bằng dòng lạnh α 2 = Nu λ d nước td
Dựa vào chuẩn số Reynolds :
Trong đó ω là vận tốc dòng lạnh : ω G L π
D+nd = 0,0279 (m) Ʋ là độ nhớt của dòng nóng tra bảng , Ʋ = 0,91.10 −6 ( m 2 /s)
Dựa vào chuẩn số Reynolds :
Chuẩn số Prandtl , Pr = 2,84 λ dòng = 1,159 ( W/m.K )
Hệ số hiệu chỉnh ε k phụ thuộc vào giá trị Re và d L i = => ε k = 1,47 Chuẩn số Grashoff
(7,94.10 −7 ) 2 = 4569,24 Với g = 9,81 m/s 2 , 1 là đường kính tương đương ở đây l = d td β là hệ số giãn nở thể tính được tính bằng β = T 1
Xác định hệ truyền nhiệt lý thuyết
