Thí nghiệm quá trình và thiết bị đối lưu nhiệt

Thí nghiệm quá trình và thiết bị đối lưu nhiệt

THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT MỤC LỤC THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT TRÍCH YẾU Mục đích thí nghiệm I Giúp sinh viên củng cố kiến thức truyền nhiệt đối lưu Giúp sinh viên làm quen với cấu tạo, ngun lý hoạt động thiết bị phương pháp thí nghiệm trao đổi nhiệt đối lưu Khảo sát thực nghiệm hệ số cấp nhiệt dòng lưu chất khơng có biến đổi pha dòng lưu chất có biến đổi pha với chế độ ngưng tụ chảy màng hai trường hợp: đối lưu tự nhiên đối lưu cưỡng So sánh hệ số cấp nhiệt hệ số truyền nhiệt lý thuyết với hệ số cấp nhiệt truyền nhiệt thực nghiệm Thiết lập cân nhiệt lượng q trình trao đổi nhiệt đối lưu Phương pháp thí nghiệm Chuẩn bị dụng cụ điều kiện thí nghiệm → chuẩn bị cấp nước lạnh → chuẩn bị cấp nước → q trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định tiến hành đo đồng loạt đại lượng → ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác (tiến hành thí nghiệm ứng với vị trí chảy tràn) → kết thúc thí nghiệm Kết thí nghiệm STT 10 11 Các đại lượng đo t1 (oC) t2 (oC) t3 (oC) t4 (oC) Nhiệt độ theo T3 (oF) Nhiệt độ theo T2 (oF) p suất theo P3 (PSI) p suất theo P2 (PSI) Lượng nước ngưng (ml) Thời gian đo lượng nước ngưng (s) Nhiệt độ nước ngưng t’C (oC) Vò trí chảy tràn (inch) 32 103 62 97 210 235 11 11 75 180 72 ½ 33 105 63 100 210 240 11 11 65 118 74 ¾ 32 105 54 98 208 235 11 11 37 73 76 30 105 56 98 210 230 11 11 96 145 73 1½ 32 102 43 91 208 230 11 11,5 44 86 75 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ 12 13 II Lượng nước chảy ống (ml) Thời gian đo nước chảy ống (s) ĐỐI LƯU NHIỆT 1000 1000 1000 1000 1000 135 84 62 55 46 LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM Sự truyền nhiệt nước bão hòa ngưng tụ bề mặt ngồi ống đứng với dòng nước lạnh chảy ống dạng truyền nhiệt đặc trưng q trình: trao đổi nhiệt đối lưu trường hợp có biến đổi pha (hơi nước bão hòa ngưng tụ bề mặt ống đứng) trao đổi nhiệt đối lưu dòng lưu chất khơng có biến đổi pha (dòng nước lạnh chảy ống) Bỏ qua nhiệt trở thành ống Sự ngưng tụ nước thiết bị thí nghiệm xem ngưng tụ với màng chảy xếp lớp (chảy màng) Ft r Fng α N = α tr α C = α ng tS tN t Vtr tVng d tr δ V δ C dng Hình 1: Sơ đồ chế truyền nhiệt đối lưu Dòng nước lạnh chảy ống đứng (gọi tắt dòng lạnh) thực với chế độ chảy: chuyển động tự nhiên chuyển động cưỡng THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT Sơ đồ chế truyền nhiệt đối lưu biểu diễn hình δV, δC: bề dày thành ống bề dày màng nước ngưng tụ, m dtr, dng : đường kính ngồi ống, m Ftr, Fng : diện tích bề mặt bên bên ngồi ống đứng có chiều cao H, m2 ts : nhiệt độ nước bão hòa, oC tN: nhiệt độ trung bình nước ống, oC tVtr, tVng:nhiệt độ trung bình vách vách ngồi ống, oC αC = αng:hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ (phía lưu chất bên ngồi), W/m2.K αN = αtr:hệ số cấp nhiệt phía nước lạnh (phía lưu chất ống), W/m2.K q: mật độ dòng nhiệt truyền qua vách, W/m2 Phương trình cân nhiệt: Nhiệt lượng dòng nước lạnh nhận được: Q1 = GNCPN(t3 – t1), W (1) Nhiệt lượng tỏa nước ngưng tụ: Q2 = GC[r + CPC(tS - tC )], W (2) Trong trường hợp truyền nhiệt ổn định khơng có tổn thất nhiệt, ta có phương trình cân nhiệt sau: Q = Q1 = Q2 = GNCPN(t3 – t1) = GC[r + CPC(tS - tC )] (3) Trong đó: GN, GC : lưu lượng khối dòng nước ống dòng nước ngưng tụ, kg/s t1, t3 : nhiệt độ đầu cuối dòng nước chảy ống, oC tS : nhiệt độ nước bão hòa ngưng tụ áp suất thí nghiệm, oC tC : nhiệt độ trung bình nước ngưng tụ, oC THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ tC = tS + t 'C ĐỐI LƯU NHIỆT , oC (4) t’C : nhiệt độ nước ngưng tụ chảy (trong thực tế t’ C nhiệt độ q lạnh nước ngưng tụ), oC CPN : nhiệt dung riêng nước chảy ống, xác định nhiệt độ trung bình nước, J/(kg.K) tN = t1 + t3 , oC (5) CPC : nhiệt dung riêng nước sau ngưng tụ nhiệt độ r tC , J/(kg.K) : ẩn nhiệt ngưng tụ nước bão hòa nhiệt độ tS, J/kg Sự cân nhiệt thực phương trình truyền nhiệt đối lưu chế độ ổn định khơng có tổn thất nhiệt: Q = Q’1 = Q’2 Trong đó: tN Q’1 = qtrFtr = αtr(tVtr ⇒ α tr = Q '1 (tVtr − t N ) Ftr )Ftr, W , W/m2.K (6) Q’2 = qngFng = αng(tS - tVng)Fng, W ⇒ α ng = Q '2 (tS − tVng ) Fng , W/m2.K (7) Theo lý thuyết: THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT Q’1 = Q’2 = Q1 = Q2 = Q Từ cơng thức (6) (7) xác định hệ số cấp nhiệt thực nghiêm phía dòng lạnh ống (αtr) hệ số cấp nhiệt phía nước bão hòa ngưng tụ bề mặt ngồi ống (αng) Trong trường hợp nhiệt trở vách truyền nhiệt khơng đáng kể (ống đồng có hệ số dẫn nhiệt lớn: λV = 1272 W/mK thành ống mỏng), ta có: tVtr ≈ tVng = t Vtr , t Vng t2 + t4 , oC (8) : nhiệt độ trung bình vách vách ngồi ống truyền nhiệt, oC t2, t4 : nhiệt độ thành ngồi đầu vào (đầu dưới) đầu (đầu trên) ống, o C Hệ số truyền nhiệt tổng qt: K= Q Ftr ∆tlog , W/m2.K (9) Q : nhiệt lượng tính theo cơng thức (1) ∆t log = (tS − t3 ) − (t S − t1 ) (t − t ) ln S (tS − t1 ) ,K (10) Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (hệ số cấp nhiệt) phía dòng nước lạnh chảy ống (α N hay α tr) Hệ số cấp nhiệt αN (hay αtr) xác định tùy thuộc vào dạng trao đổi nhiệt (đối lưu tự nhiên hay đối lưu cưỡng bức) chế độ chảy dòng lưu chất: chảy xếp lớp (chảy màng), chảy rối hay chế độ chuyển tiếp Dòng lưu chất đối lưu tự nhiên hay cưỡng phân THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ biệt dựa theo giá trị tỷ số Gr Re 2,5 ≤ 10-3 Gr Re 2,5 10-3 < : Gr Re 2,5 Ở đây: 10 Vùng hỗn hợp dòng đối lưu Re = Gr Re 2,5 ≤ 10-2 10 Dòng lưu chất đối lưu cưỡng ĐỐI LƯU NHIỆT ≥ 10-2 Dòng lưu chất đối lưu tự nhiên wd tr 4G N = ν πd tr ρν Gr Re2,5 (11) Với: w : vận tốc dòng, m/s ν : độ nhớt động học lưu chất, m2/s ρ : khối lượng riêng lưu chất, kg/m3 a) Trường hợp đối lưu tự nhiên: Hệ số cấp nhiệt αN (hay αtr) trường hợp đối lưu tự nhiên xác định từ chuẩn số Nusselt (Nu): Gr.Pr dtr Nu = × 32 H 0,75   H    1 − exp  −16  × ÷    d tr Gr.Pr     (12) Trong đó: THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT α N d tr α N d tr = λ λ β gdtr ∆t Gr = ν2 ∆t = tVtr − t N Nu = Pr = ν a ( tra bảng ) tN = Các thơng số vật lý nước xác định nhiệt độ trung bình: b) t1 + t , oC Trường hợp đối lưu cưỡng bức: Ở chế độ chảy màng (Re < 2300) với Re.Pr dtr   Nu = 1,86 Re Pr  H  1/  µ     µ Vtr  dtr H >10 : ,14 (13) tN = Các thơng số vật lý xác định nhiệt độ trung bình t1 + t3 , oC Riêng µVtr xác định nhiệt độ trung bình vách tVtr Ở chế độ chuyển tiếp (2300 < Re < 10000) với 0,7 < Pr < 120 Nu = 0,023Re0,8Pr1/3 dtr H > 50 : (14) Nếu bỏ qua ảnh hưởng lực nâng với dòng chảy ta áp dụng cơng thức Mikhaev để tính Nu*: THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ M= Nu * 0,14  Pr  Pr 0,43  ÷  PrVtr  ĐỐI LƯU NHIỆT = f (Re) Giá trị thực nghiệm M cho bảng Bảng 1: Re.10-3 2,2 2,3 2,5 3,5 M 2,2 3,6 4,9 7,5 10 12,2 16, 5 10 20 24 27 30 33 Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ: Hệ số cấp nhiệt trường hợp ngưng tụ tinh khiết bão hòa xác định tùy thuộc vào chế độ chảy dòng lỏng ngưng tụ Các trường hợp chất ngưng tụ chảy màng, hệ số cấp nhiệt ngưng tụ tinh khiết bề mặt ống đứng xác định theo cơng thức lý thuyết Nusselt (xác lập phương pháp giải tích): 0,25  gr ρ λ  α C = 0,943  S C C ÷  µC H ∆t m Ở đây: t +t   ∆t = tS − tVng =  tS − ÷   (16) ,K tm = Các thơng số vật lý xác định nhiệt độ trung bình tS + tVng , oC Riêng rS xác định nhiệt độ tS nước bão hòa Cơng thức (16) biến đổi phương trình tiêu chuẩn đồng dạng sau: THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT     α H νC rS gH  NuC = C = 0,943  λC CPC (tS − tVng )  λC  νC   ρC CPC = 0,25 m 0, 943(GaC PrC K ) 0,25 = 0, 943( K o )0,25 m m (17) Ở đây: K= rS CPC (t S − tVng ) chuẩn số đồng dạng Kutalelagze Trường hợp nước ngưng tụ chảy màng khơng phụ thuộc vào vận tốc (tức khơng phụ thuộc vào Re), hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ chảy màng xác định từ chuẩn số Nu theo cơng thức thực nghiệm sau đây: Nu = 0,42(Ga Pr K ) * C ,28 S  µS    µ  Vng   ,25 = 0,42(K ) ,28 o S  µS    µ  Vng   ,25 (18) Khác với cơng thức (16) thơng số vật lý xác định nhiệt độ t S Riêng tVng = PrVng xác định nhiệt độ trung bình vách ngồi III t2 + t4 , oC DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Dụng cụ thiết bị thí nghiệm Hệ thống thí nghiệm đối lưu nhiệt gồm có: - Ống truyền nhiệt Bình chứa nước Nồi Bình chảy tràn Hệ thống van ống nối Hệ thống dụng cụ đo nhiệt độ, áp suất 10 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT Chuẩn bị dụng cụ điều kiện thí nghiệm - Chuẩn bị ống nghiệm đo nước ngưng tụ Chuẩn bị ống nghiệm đo lượng nước chảy ống Chuẩn bị nhiệt kế đo nhiệt độ nước ngưng tụ chảy Chuẩn bị đồng hồ bấm giây để đo thời gian nước chảy ống thời - gian nước ngưng Kiểm tra nguồn điện, nguồn nước dụng cụ đo thiết bị thí nghiệm Chuẩn bị nước cấp lạnh - Khóa van V1, V4, S1 mở van V2 V5 Điều chỉnh chảy tràn vị trí mong muốn theo u cầu thí nghiệm Mở van V1 điều chỉnh để giữ mực nước ổn định bình chảy tràn Chuẩn bị cấp nước - Khóa van: S1, S3, S5, V3, V6, V8 Mở van S4 xả ngưng dư khóa lại Mở van V7 Cho nước vào bình chứa đến ¾ chiều cao bình mở nắp bình Mở van V cấp nước cho nồi đun khóa van V mực nước nồi đun đạt 2/3 chiều cao b) ống mức Đóng van V7 Cấp điện cho điện trở đun nước R1 áp suất nồi đun đạt khoảng 15 PSI Cấp điện cho điện trở R2 để gia nhiệt cho nước (nếu có R2) Tiến hành thí nhiệm Điều chỉnh dòng nước lạnh chảy ống theo u cầu thí nghiệm Khi áp suất nồi đun đạt 15 PSI, mở hồn tồn van V mở từ từ van V6 điều chỉnh để áp suất vào buồng thí nghiệm khoảng 12 PSI Van V phải mở để đủ ngưng tụ bề mặt ống truyền nhiệt Khi q trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định, tiến hành đo đồng loạt đại lượng: - Lượng nước ngưng tụ khoảng thời gian định nhiệt độ nước ngưng tụ 12 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT - Lượng nước chảy ống ống ống khoảng thời gian - định Nhiệt độ t1, t2, t3, t4 (đồng hồ số) Áp suất nồi (áp kế P2) Nhiệt độ nồi (đồng hồ đo nhiệt độ T2) Nhiệt độ vào buồng ngưng tụ theo T3 (oF) Áp suất vào buồng ngưng tụ theo P3 (PSI) Trong đo thường xun quan sát mức nước bình chảy tràn mức nước nồi Ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác c) Sau đo xong, ngắt điện cấp cho nồi hơi, đóng van V 6, V7, mở van xả S5 Nạp nước vào bình chứa Mở van V8 cấp nước cho nồi khóa van V8 lại, khóa van xả S5 Khóa van V1, mở vòi xả S4 để xả nóng khóa vòi S4 lại Chuyển vị trí chảy tràn theo u cầu thí nghiệm lặp lại quy trình thao tác thí nghiệm trước Các thí nghiệm tiến hành với vị trí ống chảy tràn sau: - IV Vị trí “0”: đối lưu tự nhiên Vị trí “½, ¾,1, ½”: đối lưu cưỡng d) Kết thúc thí nghiệm Trình tự thao tác kết thúc thí nghiệm: - Ngắt cầu dao điện cho nồi - Ngắt điện cho đồng hồ đo nhiệt độ số - Khóa van nguồn nước - Khóa mở van trạng trước làm thí nghiệm KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Kết thí nghiệm Bảng 2: Kết đo STT Các đại lượng đo t1 (oC) t2 (oC) 32 103 Vò trí chảy tràn (inch) ½ ¾ 33 32 30 105 105 105 1½ 32 102 13 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ 10 11 12 13 t3 (oC) t4 (oC) Nhiệt độ theo T3 (oF) Nhiệt độ theo T2 (oF) p suất theo P3 (PSI) p suất theo P2 (PSI) Lượng nước ngưng (ml) Thời gian đo lượng nước ngưng (s) Nhiệt độ nước ngưng t’C (oC) Lượng nước chảy ống (ml) Thời gian đo nước chảy ống (s) ĐỐI LƯU NHIỆT 62 97 210 235 11 11 75 180 72 1000 63 100 210 240 11 11 65 118 74 1000 54 98 208 235 11 11 37 73 76 1000 56 98 210 230 11 11 96 145 73 1000 43 91 208 230 11 11,5 44 86 75 1000 135 84 62 55 46 Xử lý sơ kết đo Bảng Các đại lượng đo Vị trí chảy tràn (inch) ½ ¾ 1½ t1 (oC) 32 33 32 30 32 t2 (oC) 103 105 105 105 102 t3 (oC) 62 63 54 56 43 t4 (oC) 97 100 98 98 91 t’C (oC) 72 74 76 73 75 14 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT PS (bar) 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 tS (oC) 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 47 48 43 43 37,5 100 102,5 101,5 101,5 96,5 100 102,5 101,5 101,5 96,5 100,00 101,25 100,75 100,75 98,25 86,00 87,00 88,00 86,50 87,50 53 54,5 58,5 58,5 59 GN (kg/s) 0,00733 0,01177 0,01598 0,01802 0,02159 GC (kg/s) 0,000399 0,000527 0,000485 0,000634 0,000492 t1 + t tN = t Vng = tC = , C t2 + t4 t Vtr ≈ t Vng tm = o , oC , oC t S + t Vng t S + t' C ∆t = t Vtr − t N o , C o , C ,K Xác định thơng số tính tốn Bảng Các thơng số vật lý Nước CPN (J/kgK) 4182,096 Vị trí chảy tràn (inch) 1/2 3/4 4180,213 4179,607 4179,105 1½ 4178,707 15 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ chảy ống Nước ngưng tụ Hơi nước bão hòa λ (W/mK) ρ (kg/m3) ν.106 (m2/s) β.104 (1/K) μ.103 (NS/m2) μtr.103 (NS/m2) λC (W/mK) ρC (kg/m3) μC.103 (NS/m2) νC.106 (m2/s) CPC ( J/kgK) λS (W/mK) PrS ĐỐI LƯU NHIỆT 0,653 0,6459 0,6424 0,6396 0,6361 985,97 988,74 989,82 990,66 991,67 0,520 0,570 0,593 0,613 0,642 4,769 4,397 4,242 4,118 3,963 0,511 0,564 0,588 0,610 0,638 0,2868 0,2978 0,2868 0,27 0,2899 0,6818 0,6814 0,6818 0,6824 0,6817 959,13 960,37 959,13 956,68 959,48 0,287 0,292 0,287 0,280 0,289 0,2983 0,3037 0,2983 0,2890 0,2998 4217,73 4215,63 4217,73 4221,72 4217,13 0,6818 0,6818 0,6818 0,6818 0,6818 1,77 1,77 1,77 1,77 1,77 PrVng 1,77 1,84 1,77 1,68 1,79 ρS (kg/m3) CPS ( J/kgK) 959,166 959,166 959,166 959,166 959,166 4,218 4,218 4,218 4,218 4,218 Rs( J/kg) 2262886 2262886 2262886 2262886 2262886 Nhiệt lượng tổn thất nhiệt Bảng 16 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT Q1 (W) 1550 Vị trí chảy tràn (inch) 1/2 3/4 1598 1667 1579 1½ 1968 Q2 (W) ∆ Q (W) ∆ Q (%) 1149 -401 -26 1212 -386 -24 1348 -620 -32 1258 -409 -25 1282 -297 -19 Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ Các đại lượng Trao đổi nhiệt phía nước chảy ống Trao đổi nhiệt phía nước ngưng tụ Truyền nhiệt tổng qt Vị trí chảy tràn (inch) 1/2 3/4 3,657 3,852 4,006 1,840 1,770 1,675 2159 2412 2607 172121 1641027 1649440 11,45 18,32 19,75 Pr PrVtr Re 3,306 1,770 1627 Gr 2023424 NuN 9,85 (αN)tt hay (αtr)tt (W/m2 K) 466,13 536,07 852,80 915,37 1443,84 (αN)tn hay (αtr)tn (W/m2.K) 1317,48 1285,76 1189,49 978,64 1317,33 (αC)tt (W/m2.K) 5062,77 4972,03 4846,29 4703,60 4763,36 7932,79 57269,29 (αC)tn (W/m2.K) 395144,24 13519,94 432542,26 1½ 4,196 1,790 4552 1401019 31,32 (NuC)tt 4529,69 4450,78 4336,00 4204,64 4262,43 Q=Q1 ,W 1550,47 1598,15 1667,23 1578,75 1968,35 ∆Tlog, K Ktt, W/m2.K Ktn, W/m2.K K'tt, W/m2.K K'tt/Ktt 41,03 48,97 51,81 54,15 57,06 426,83 483,90 725,19 766,25 1107,99 1428,86 1234,11 1216,88 1102,50 1304,36 426,68 483,71 724,77 765,79 1107,03 0,9997 0,9996 0,9994 0,9994 0,9991 17 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT Đồ thị a) Đồ thị mối quan hệ: NuN =f(Re), Ktt=f(Re) 9,85 1627 426,83 NuN Re KTT 11,45 2159 483,90 18,32 2412 725,19 19,75 2607 766,25 31,32 4552 1107,99 Re Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Nun Re Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ktt Re b) Đồ thị mối tương quan so sánh (αN)TT hay (αtr)TT, W/m K (αN)TN hay (αtr)TN, W/m2.K 466,13 1317,48 1/2 536,07 1285,76 3/4 852,80 1189,49 915,37 978,64 1½ 1443,84 1317,33 18 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT Đồ thị mối tương quan (αN)TT (αN)TN 5062,77 395144,2 (αC)TT W/m K (αC)TN W/m2.K 1/2 4972,03 3/4 4846,29 4703,60 1½ 4763,36 13519,94 432542,26 7932,79 57269,29 Đồ thị mối tương quan (αC)TT (αC)TN Đồ thị mối tương quan KTT KTN V BÀN LUẬN Giải thích thí nghiệm với chảy tràn mức “0” mà nước ống chảy Đầu tiên ta cần hiểu ý nghĩa số 0, 1/2, 3/4, , Các số có nghĩa khoảng cách tính theo inch mực nước bình chảy tràn so với vị trí cao ống dẫn nước lạnh bình trao đổi nhiệt Trước thí nghiệm, ta để vị trí chảy tràn vị trí “0” cấp nước cho bình chảy tràn nước khơng chảy ống đứng ngồi lúc mực nước bình chảy tràn với vị trí cao ống (∆P = 0).Do đó, nước khơng thể chảy khơng có chênh lệch áp suất.Tuy nhiên q trình thí nghiệm với vị trí chảy tràn mức “0” ta cung cấp nước bão hòa có nhiệt độ cao để làm nóng dòng lạnh, xảy truyền nhiệt qua vách (truyền nhiệt đối lưu) Dẫn đến chuyển động dòng lưu chất có chênh lệnh mật độ (khối lượng riêng) vùng có nhiệt độ khác khác dòng nước chảy mức “0” lúc thí nghiệm 19 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT Nhận xét mức độ tổn thất nhiệt Q1 (W) 1550 Vị trí chảy tràn (inch) 1/2 3/4 1598 1667 1579 1½ 1968 Q2 (W) ∆ Q (W) ∆ Q (%) 1149 -401 -26 1212 -386 -24 1348 -620 -32 1258 -409 -25 1282 -297 -19 Theo kết thí nghiệm ta thấy ∆Q < điều có nghĩa Q ngồi nhiệt lượng lấy từ ngưng tụ làm nguội nước ngưng có q trình làm nguội q nhiệt nhiệt độ ngưng tụ Theo kết tính tốn tổn thất nhiệt tương đối thấp Nhận xét giải thích ảnh hưởng vị trí chảy tràn lên hệ số α tr, α ng K Ảnh hưởng vị trí chảy tràn lên hệ số αtr, αng - Khi vị trí chảy tràn cao (αN)TT tăng vì: Tấm chảy tràn cao chênh lệch cột áp lớn → lưu lượng dòng lạnh tăng → vận tốc dòng lạnh tăng → Re tăng Ngồi vận tốc dòng tăng tiếp xúc để trao đổi nhiệt giảm dẫn đến hiệu truyền nhiệt → nhiệt độ trung bình dòng lạnh giảm → Pr µ tăng Nu tăng (cơng thức (13)) ⇒ (αN)TT tăng Vì vậy, kết thí - nghiệm phù hợp với lý thuyết Khi tăng độ cao vị trí chảy tràn chưa đủ kiện đê dự đốn (αN)TN tăng hay giảm Bởi vì, vị trí xảy trao đổi nhiệt cưỡng bức: nhiệt lượng mà dòng lạnh nhận (Q1) tăng lưu lượng tăng (giải thích trên), hiệu truyền nhiệt giảm nên đại lượng ∆t = tVtr − t N tăng (do tN giảm nhanh), nhiên ta khơng thể xác đinh mức 20 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT độ tăng đại lượng cơng thức (6) nên ta kết luận giá trị (αtr)TN hay ∆t = tVtr − t N - (αN)TN phụ thuộc vào Q1 (αc)TN tăng giảm khơng ổn định Ảnh hưởng vị trí chảy tràn lên hệ số Κ Ktt = 1 (α N )tt + (α C )tt Theo cơng thức Ktt phụ thuộc (α N )tt (α C )tt = (α N ) tt × (α C )tt (α N )tt + (α C ) tt , W/m2.K (α N )tt (α C )tt mà ta có vị trí chảy tràn cao cao Ktt tăng So sánh giải thích mối tương quan giá trị tính tốn giá trị thực nghiệm hệ số cấp nhiệt phía nước ống, phía nước ngồi ống hệ số truyền nhiệt tổng qt Hệ số cấp nhiệt phía nước ngồi ống: Dựa vào bảng 6: (α C)TN > (α C)TT Hệ số cấp nhiệt phía nước ống: Dựa vào bảng 6: giá trị (αN)TN> ((α N)TT Hệ số truyền nhiệt tổng qt: Dựa vào bảng : tất giá trị KTN lớn KTT Các giá trị tính tốn hệ số cấp nhiệt phía nước ống hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ ngồi ống, hệ số truyền nhiệt K phải lớn giá trị thực nghiệm tương ứng.Vì ta giả sử bỏ qua mát nhiệt q trình trao đổi nhiệt q trình tiến hành thí nghiệm ln ln tồn tổn thất nhiệt mức độ khác nhau, tùy vào hệ thống thiết bị thao tác người tiến hành thí nghiệm Ngun nhân có sai số thí nghiệm Nhận xét ảnh hưởng nhiệt trở thành ống  δV   ÷  λV  21 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ K tt ' = 1 (α N )tt + δ + V (α C )tt λV ĐỐI LƯU NHIỆT , W/m K Theo kết tính tốn K tt ' < Ktt trở nhiệt thành ống làm giảm hệ số truyền nhiệt tổng qt Nhưng chênh lệch khơng q lớn nên bỏ qua Nhận xét độ tin cậy kết thí nghiệm, ước lượng sai số nêu ngun nhân dẫn đến sai số Theo kết thu ta nhận thấy độ tin cậy thí nghiệm khơng cao Các sai số thí nghiệm lớn Ngun nhân sai số - Thiết bị cấp nhiệt điện trở khơng ổn định Lượng nước bão hòa dễ bị ngưng tụ q trình làm việc Van điều chỉnh khó khăn ảnh hưởng thơng số đo Nhiệt độ làm việc ngày tăng làm ảnh hưởng đến đồng hồ đo Đo thời gian xác định đồng thời thơng số khó khăn Lượng nhiệt, bị tích tụ qua thí nghiệm làm sai số Đo thời gian khơng đồng với thao tác thí nghiệm Chế độ truyền nhiệt chưa ổn định mong muốn Giá trị (αN)TT tính với điều kiện chế độ chảy màng, thực tế chế độ chảy dòng nước lạnh ống khơng chảy màng hồn tồn mà đơi VI chế độ chuyển tiếp Sai số q trình tra bảng số liệu, nội suy, tính tốn,… PHỤ LỤC Xử lý sơ kết đo: Từ kết đo ghi bảng 1,thực việc chuyển đổi đơn vị đo nhiệt độ,áp suất,tính lưu lượng nước đưa vào bảng t 0C = (t F − 32) 1PSI=0,069bar [2] 22 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT 1at=0,981bar [2] Vì áp suất buồng thí nghiệm xấp xỉ với áp suất khí => coi với áp suất khí => Ps ≈ 1at=0,981 bar =>tS =98,89 0C (tra trang 314 sổ tay q trình thiết bị tập 1) GV = Lưu lượng thể tích: V t ,trong đó: V: thể tích nước đo (m3) t: thời gian đo (s) G = GV ρ = Lưu lượng khối lượng: V ρ t Xác định thơng số phục vụ tính tốn: Các thơng số vật lý tham gia q trình tính tốn gồm có: a) Các thơng số vật lý nước chảy ống: CPN , λ , ρ ,ν , β , Pr, µ , µtr tN = nước chảy ống : Các thơng số xác định nhiệt độ trung bình t1 + t3 (ở bảng 3) Riêng μVtr xác định nhiệt độ tVtr ≈ tVng Tra bảng trang 310 sổ tay q trình thiết bị tập b) Các thơng số nước ngưng tụ áp suất thí nghiệm: - CPC,λC,ρC,νC,μC,CPS,λS,ρS,PrS,PrVtr.Các thơng số có số “c” xác định nhiệt tm = độ trung bình tS + tVng (bảng 3) 23 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ c) - ĐỐI LƯU NHIỆT Các thơng số có số “s” xác định nhiệt độ tS Các thơng số có số “Vng” xác định nhiệt độ tVng Tra bảng 1,trang 310 sổ tay q trình thiết bị tập Các thơng số vật lý nước bão hòa áp suất thí nghiệm: RS xác định nhiệt độ tS nước bão hòa Tra bảng trang 314 sổ tay q trình thiết bị tập Kết xác định thơng số vật lý đưa vào bảng Tính tốn nhiệt lượng,xác định tổn thất nhiệt: Nhiệt lượng Q1 tính theo cơng thức (1) Nhiệt lượng Q2 tính theo cơng thức (2) Tổn thất nhiệt tính theo: ΔQ=Q2-Q1 ∆Q ∆Q(%) = × 100% Q1 - Tỷ lệ tổn thất nhiệt: - Kết tính tốn đưa vào bảng Tính tốn xác định hệ số cấp nhiệt phía nước chảy ống: - Ở trường hợp đối lưu tự nhiên(ứng với thí nghiệm vị trí “0” chảy tràn),Nu αN(αtr) tính tốn theo cơng thức(12) Trường hợp đối lưu cưỡng bức(ứng với thí nghiệm vị trí “1/2,3/4,1,3/2” chảy tràn) Nu αN(αtr) tính tốn theo cơng thức (13) (14) tùy theo chế độ chảy cụ thể Các giá trị αN(αtr) tính tốn trường hợp gọi hệ số cấp nhiệt tính tốn (αN)TT hay (αtr)TT Gía trị αN(αtr) xác định từ cơng thức (6) gọi hệ số cấp nhiệt thực nghiệm (αN)TT hay (αtr)TN Kết tính tốn đưa vào bảng Tính tốn xác định hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ: Trường hợp nước ngưng tụ chảy màng,hệ số cấp nhiệt αC tính theo cơng thức(16) suy từ Nu cơng thức (17) Hệ số αC Nu tính theo cơgn thức (16) (17) gọi giá trị tính tốn (αC)TT,(Nu)TT Hệ số cấp nhiệt thực nghiệm (αC)TN phía nước ngưng tụ tính theo cơng thức(7) 24 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT Kết tính tốn đưa vào bảng 6 Tính hệ số truyền nhiệt tổng qt: Hệ số truyền nhiẹt tổng qt tính theo cơng thức: KTT = 1 + (α N )TT (α C )TT = (α N )TT × (α C )TT (α N )TT + (α C )TT ,W/m2.K Ở đây: KTT hệ số truyền nhiệt tổng qt,tính theo (αN)TN (αC)TT, bỏ qua ảnh hưởng nhiệt trở thành ống  δV   ÷  λV  Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN tính theo cơng thức (9),trong Q = Q1 Tính hệ số truyền nhiệt có kể đến ảnh hưởng nhiệt trở thành ống ' KTT = (α N )TT δ + V + λV (α C )TT  δV   ÷  λV  ,W/m2.K Tính tốn so sánh KTT với K’TT ' δ KTT = , V δ KTT + V K λV λV TT =const Kết tính tốn hệ số truyền nhiệt đưa vào bảng VII TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V P Isachenco, V A Osipova, A S Sukomel, “Heat tranfer”, Moscow, 1977 25 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT [2] Phạm Văn Bơn, Nguyễn Đình Thọ, “Q trình thiết bị truyền nhiệt”, ĐHBK Tp.HCM, 1992 [3] Hồng Đình Tín, “ Truyền nhiệt tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt”, ĐHBK Tp.HCM, 1996 26 [...]... pháp thí nghiệm a) Chuẩn bị 11 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT Chuẩn bị dụng cụ và điều kiện thí nghiệm - Chuẩn bị ống nghiệm đo nước ngưng tụ Chuẩn bị ống nghiệm đo lượng nước chảy trong ống Chuẩn bị nhiệt kế đo nhiệt độ nước ngưng tụ chảy ra Chuẩn bị một đồng hồ bấm giây để đo thời gian nước chảy trong ống và thời - gian nước ngưng Kiểm tra nguồn điện, nguồn nước và dụng cụ đo trên thiết. .. chuyển đổi đơn vị đo nhiệt độ,áp suất,tính lưu lượng nước và đưa vào bảng 3 5 t 0C = (t 0 F − 32) 9 1PSI=0,069bar [2] 22 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT 1at=0,981bar [2] Vì áp suất trong buồng thí nghiệm xấp xỉ bằng với áp suất khí quyển => có thể coi là bằng với áp suất khí quyển => Ps ≈ 1at=0,981 bar =>tS =98,89 0C (tra ở trang 314 ở sổ tay q trình thiết bị tập 1) GV = Lưu lượng thể tích:... 6 VII TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V P Isachenco, V A Osipova, A S Sukomel, “Heat tranfer”, Moscow, 1977 25 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT [2] Phạm Văn Bơn, Nguyễn Đình Thọ, “Q trình và thiết bị truyền nhiệt , ĐHBK Tp.HCM, 1992 [3] Hồng Đình Tín, “ Truyền nhiệt và tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt , ĐHBK Tp.HCM, 1996 26 ... ống, hệ số truyền nhiệt K đều phải lớn hơn các giá trị thực nghiệm tương ứng.Vì ta đã giả sử bỏ qua sự mất mát nhiệt trong q trình trao đổi nhiệt nhưng trong q trình tiến hành thí nghiệm thì ln ln tồn tại tổn thất nhiệt ở những mức độ khác nhau, tùy vào hệ thống thiết bị và thao tác của người tiến hành thí nghiệm Ngun nhân do có sai số trong thí nghiệm 5 Nhận xét sự ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống... tồn van V 7 và mở từ từ van V6 và điều chỉnh để áp suất hơi đi vào buồng thí nghiệm khoảng 12 PSI Van V 6 phải mở để đủ hơi ngưng tụ trên bề mặt ống truyền nhiệt Khi q trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định, tiến hành đo đồng loạt các đại lượng: - Lượng nước ngưng tụ trong một khoảng thời gian nhất định và nhiệt độ của nước ngưng tụ 12 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT - Lượng nước chảy trong... tay q trình thiết bị tập 1 b) Các thơng số của nước ngưng tụ ở áp suất thí nghiệm: - CPC,λC,ρC,νC,μC,CPS,λS,ρS,PrS,PrVtr.Các thơng số có chỉ số “c” xác định ở nhiệt tm = độ trung bình tS + tVng 2 (bảng 3) 23 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ c) - ĐỐI LƯU NHIỆT Các thơng số có chỉ số “s” xác định ở nhiệt độ tS Các thơng số có chỉ số “Vng” xác định ở nhiệt độ tVng Tra ở bảng 1,trang 310 ở cuốn sổ tay q trình. .. làm nóng dòng lạnh, khi đó đã xảy ra sự truyền nhiệt qua vách (truyền nhiệt đối lưu) Dẫn đến sự chuyển động của dòng lưu chất do có sự chênh lệnh về mật độ (khối lượng riêng) giữa những vùng có nhiệt độ khác khác nhau do đó dòng nước vẫn chảy được ở mức “0” trong lúc thí nghiệm 19 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT 2 Nhận xét về mức độ tổn thất nhiệt Q1 (W) 0 1550 Vị trí tấm chảy tràn (inch)... q trình thiết bị tập 1 Các thơng số vật lý của hơi nước bão hòa ở áp suất thí nghiệm: RS được xác định ở nhiệt độ tS đối với hơi nước bão hòa Tra ở bảng 1 và trang 314 ở cuốn sổ tay q trình thiết bị tập 1 Kết quả xác định các thơng số vật lý được đưa vào bảng 4 Tính tốn nhiệt lượng,xác định tổn thất nhiệt: Nhiệt lượng Q1 tính theo cơng thức (1) Nhiệt lượng Q2 tính theo cơng thức (2) Tổn thất nhiệt tính... 2262886 4 Nhiệt lượng và tổn thất nhiệt Bảng 5 16 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT Q1 (W) 0 1550 Vị trí tấm chảy tràn (inch) 1/2 3/4 1 1598 1667 1579 1½ 1968 Q2 (W) ∆ Q (W) ∆ Q (%) 1149 -401 -26 1212 -386 -24 1348 -620 -32 1258 -409 -25 1282 -297 -19 5 Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ Các đại lượng Trao đổi nhiệt phía nước chảy trong ống Trao đổi nhiệt phía nước ngưng tụ Truyền nhiệt tổng... kiện đê dự đốn (αN)TN sẽ tăng hay giảm Bởi vì, đối với các vị trí xảy ra trao đổi nhiệt cưỡng bức: nhiệt lượng mà dòng lạnh nhận (Q1) sẽ tăng do lưu lượng tăng (giải thích ở trên), khi đó hiệu quả truyền nhiệt giảm nên đại lượng ∆t = tVtr − t N cũng sẽ tăng (do tN sẽ giảm nhanh), tuy nhiên ta khơng thể xác đinh mức 20 THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ĐỐI LƯU NHIỆT độ tăng của các đại lượng trong cơng thức