BÀI 1 THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT ỐNG KÉP

BÀI 1 THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT ỐNG KÉP (TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG) I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Các khái niệm 1.1. Truyền nhiệt Truyền nhiệt là một quá trình phức tạp xảy ra đồng thời bởi 3 dạng trao đổi nhiệt cơ bản như: trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt bằng đối lưu nhiệt và trao đổi nhiệt bằng bức xạ nhiệt. 1.2. Chiều quá trình Trong tự nhiên quá trình truyền nhiệt chỉ xảy ra theo một chiều từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp. 1.3. Chất tải nhiệt Chất tải nhiệt là chất mang nhiệt từ nơi này tới nơi khác, từ môi trường này tới môi trường khác theo quy luật tự nhiên. 1.4. Truyền nhiệt trực tiếp Truyền nhiệt trực tiếp là quá trình truyền nhiệt mà chất tải nhiệt tiếp xúc trực tiếp với vật liệu. 1.5. Truyền nhiệt gián tiếp Truyền nhiệt gián tiếp là quá trình truyền nhiệt mà chất tải nhiệt không tiếp xúc trực tiếp với vật liệu mà thông qua vật ngăn. 1.6. Truyền nhiệt ổn định Truyền nhiệt ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt độ có thể thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian. 1.7. Truyền nhiệt không ổn định

BÀI 1 THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT ỐNG KÉP (TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG)

1.4 Truyền nhiệt trực tiếp

Truyền nhiệt trực tiếp là quá trình truyền nhiệt mà chất tải nhiệt tiếp xúc trực tiếp với vật liệu

1.5 Truyền nhiệt gián tiếp

Truyền nhiệt gián tiếp là quá trình truyền nhiệt mà chất tải nhiệt không tiếp xúc trực tiếp với vật liệu mà thông qua vật ngăn

1.6 Truyền nhiệt ổn định

Truyền nhiệt ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt độ có thể thay đổi theo không gian

mà không thay đổi theo thời gian

1.7 Truyền nhiệt không ổn định

Truyền nhiệt không ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt độ có thể thay đổi theo không gian và thời gian

1.8 Tường nhiệt

Tường nhiệt đặc trưng cho độ nóng của vật là nhiệt độ (t, [o

C]; T, [K]) Tập hợp tất cả các giá trị nhiệt độ của vật hoặc môi trường gọi là tường nhiệt

1.9 Nhiệt trường ổn định

Nhiệt trường ổn định là nhiệt trường mà nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian

t = f(x, y, z)

1.10 Nhiệt trường không ổn định

Nhiệt trường không ổn định là nhiệt trường mà nhiệt độ có thể thay đổi theo không gian

và thời gian

t = f(x, y, z, τ)

1.11 Mặt đẳng nhiệt

Mặt đẳng nhiệt là tập hợp các điểm có nhiệt độ bằng nhau Quá trình dẫn nhiệt không xảy

ra trên bề mặt đẳng nhiệt mà chỉ xảy ra từ mặt đẳng nhiệt này đến mặt đẳng nhiệt kia

2 Các quá trình truyền nhiệt

2.1 Dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là sự truyền nhiệt năng từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp Do sự truyền động năng hoặc do dao động va chạm vào nhau, nhưng không có sự chuyển rời vị trí giữa các phân tử vật chất Dẫn nhiệt chỉ xảy ra khi truyền nhiệt của các chất rắn hoặc truyền nhiệt của chất lỏng, chất khí đứng yên hay chuyển động dòng

2.1.1 Định luật Fourien

Xét trên một mặt phẳng có diện tích F có dòng nhiệt dẫn qua theo phương vuông góc với mặt phẳng, định luật Fourien phát biểu như sau: Mật độ dòng nhiệt truyền qua bằng phương thức dẫn nhiệt theo phương quy định tỉ lệ thuận với diện tích vuông góc với phương truyền

và gradient nhiệt độ theo phương ấy

Thực nghiệm chứng tỏ λ là một thông số vật lý biểu diễn khả năng dẫn nhiệt của vật liệu

Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, vật liệu, cấu trúc vật liệu

Hệ số dẫn nhiệt của chất khí trong khoảng 0,006 ÷ 0,6 (W/m.độ)

Hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng trong khoảng 0,07 ÷ 0,7 (W/m.độ)

Hệ số dẫn nhiệt của chất rắn phụ thuộc vào kết cấu, độ xốp và độ ẩm của vật liệu

Từ định luật Fourien cơ bản, người ta đưa ra các dạng phương trình truyền nhiêt cho các trường hợp cụ thể

2.1.2 Dẫn nhiệt của dòng nhiệt ổn định qua tường phẳng (Xét quá trình dẫn nhiệt ổn

định – nhiệt độ của vật không biến đổi theo thời gian)

t1: nhiệt độ bề mặt tường trái (oC)

t2: nhiệt độ bề mặt tường phải (oC)

F: diện tích bề mặt tường trái nơi tiếp xúc với dòng nhiệt nóng (m2)

δ: chiều dày của tường (m)

t t F Q

Nếu xét trong khoảng thời gian 1(s): 1 1

1

n i i

t t F Q

 : Nhiệt trở của tường (m2soC/J)

Mât độ dòng nhiệt qua các lớp (3 lớp theo hình vẽ)

i i

t t q

k: vách thứ k theo chiều truyền nhiệt (theo trên kmax=4)

k – 1: số lớp trước vách k theo chiều truyền nhiệt

L: chiều dài của ống (m)

d1, d2: đường kính trong và ngoài của ống (m)

d d

t t Q

q

d L

1ln2

q

d L

2.2 Đối lưu nhiệt

Nhiệt đối lưu là sự truyền nhiệt mà các phân tử lỏng hoặc khí nhận nhiệt rồi đổi chổ cho nhau; sự đổi chổ do chênh lệch khối lượng riêng hay do các tác động cơ học như: bơm, khuấy

Quá trình tỏa nhiệt đối lưu xảy ra khi có sự trao đổi nhiệt giữa chất lỏng, chất khí với bề mặt rắn

λ: kích thước hình học (có thể là đường kính nếu là ống) (m)

Δt: hiệu nhiệt độ vách và nhiệt độ lưu chất (o

C) β: hệ số giản nở ở thể tích (1/o

K; 1/oC) với chất khí 1

T

 

2.2.3 Các phương trình thực nghiệm cho các loai lưu chất chuyển động

Để tính α người ta thường dùng chuẩn số Nu và trong từng trường hợp cụ thể thì Nu có biểu thức riêng (xem tài liệu tham khảo)

Ngoài ra, người ta đã tính trước một số trường hợp cụ thể, ta có thể tra bảng cho từng trường hợp ấy

II THÍ NGHIỆM – TÍNH TOÁN

A Thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống

1 Bảng số liệu thực nghiệm phòng thí nghiệm

Lưu lượng

dòng nóng

G’N (L/P)

Lưu lượng dòng lạnh G’L (L/P)

Bảng 2: Bảng nhiệt lượng thu vào của dòng lạnh QL

lnln

17

t

t t

L L

ΔQ (W)

tNV(oC)

tNR(oC)

tLV(oC)

tLR(oC)

L (m)

Δtlog

(oC)

KL*(W/m.độ) 2259,7927 2488,5619 -228,7692 70 59 30 42 1,05 26,8796 88,173 3079,0215 4563,4188 -1484,4063 73 58 30 41 1,05 28,0176 155,121 3489,5577 6223,8654 -2734,3077 74 57 30 40 1,05 28,3919 208,774

4506,6802 3315,6810 1190,9992 75 64 30 46 1,05 29,4666 107,165 5326,0766 5804,5430 -478,4664 76 63 30 44 1,05 30,5360 181,037 5734,015 8086,4984 -2352,4834 77 63 30 43 1,05 31,6006 243,711 5521,4982 3729,1663 1792,3319 77 68 30 48 1,05 31,6006 112,390 6140,026 6218,3408 -78,3148 76 66 30 45 1,05 31,8829 185,749 7984,2126 8707,1069 -722,8943 77 64 30 44 1,05 31,6006 262,415

G

m s F

G

m s F

Bảng 5: Chuẩn số Reynolds của dòng lạnh ReL (Re2)

Bảng 7: Chuẩn số Pranlt của dòng lạnh Pr2

2.16 Tính chuẩn số Nusselt của dòng lạnh NuL

2.18 Tính hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết KL

Bảng 10: Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết KL

d2(m)

λinox

(W/m.độ)

b b

r d

Bảng 11: Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt và chế độ chảy khi dòng nóng có lưu lượng GN1’

Bảng 12: Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt và chế độ chảy khi dòng nóng có lưu lượng GN2’

Bảng 13: Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt và chế độ chảy khi dòng nóng có lưu lượng GN3’

B Thiết bị truyền nhiệt ống vuông góc

1 Bảng số liệu thực nghiệm phòng thí nghiệm

Lưu lượng

dòng nóng

G’N (L/P)

Lưu lượng dòng lạnh G’L (L/P)

2 Tính toán (Trình tự tính toán tương tự như thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống)

2.1 Tính suất lượng khối lượng của dòng nóng GN (kg/s)

2.2 Tính nhiệt lượng tỏa ra của dòng nóng QN (W)

Bảng 1: Nhiệt lượng tỏa ra của dòng nóng

2.3 Tính suất lượng khối lượng của dòng lạnh GL (kg/s)

2.4 Tính nhiệt lượng thu vào của dòng lạnh QL (W)

Bảng 2: Nhiệt lượng thu vào của dòng lạnh

2.6 Tính hiệu nhiệt độ Δtlog

2.7 Tính hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm K*

Δtlog

(oC)

KL*

(W/m.độ) 1433,9437 1660,2423 -226,2986 73 66 30 38 1,05 34,9654 45,2214 1840,6251 2491,2643 -650,6392 77 68 30 36 1,05 39,0207 60,8045 2044,301 3114,4868 -1070,1858 78 68 30 35 1,05 40,0327 74,0939 2856,4487 2074,7610 781,6877 80 73 30 40 1,05 40,9130 48,2967 2859,675 2906,0957 -46,4207 78 71 30 37 1,05 40,5985 68,1727 2453,4126 3114,6957 -661,2831 76 70 30 35 1,05 40,2498 73,6992 3065,823 1867,3408 1198,4822 76 71 30 39 1,05 38,5775 46,0999 3065,823 2906,0957 159,7273 76 71 30 37 1,05 39,6982 69,7188 3677,982 3737,0218 -59,0398 77 71 30 36 1,05 40,7056 87,4344

2.8 Tốc độ chảy của dòng nóng ωN

2.9 Tốc độ chảy của dòng lạnh ωL

2.10 Tính chuẩn số Reynolds của dòng nóng ReN

2.11 Tính chuẩn số Reynolds của dòng lạnh ReL

Bảng 4: Chuẩn số Reynolds của dòng nóng

6

0,000254 0,018 0,3937 80 73 76.5 973,925 0,000376 18355,896 0,000254 0,018 0,3937 78 71 74.5 975,025 0,000387 17854.295 0,000254 0,018 0,3937 76 70 73 975,85 0,000396 17463,279

9

0,000254 0,018 0,5906 76 71 73.5 975,575 0,000393 26389,676 0,000254 0,018 0,5906 76 71 73.5 975,575 0,000393 26389,676 0,000254 0,018 0,5906 77 71 74 975,3 0,000390 26585,178

Bảng 5: Chuẩn số Reynolds của dòng lạnh

2.12 Tính chuẩn số Pranlt của dòng nóng PrN

2.13 Tính chuẩn số Pranlt của dòng lạnh PrL

Bảng 6: Chuẩn số Pranlt của dòng nóng

2.18 Tính hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết KL

Bảng 10: Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết KL

r d

Bảng 13: Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt và chế độ chảy khi dòng nóng có lưu lượng GN3’

III KẾT LUẬN

- Tổn thất nhiệt trong bài thí nghiệm là cao và đáng kể, nhiệt lượng chênh lệch giữa dòng nóng và lạnh lớn

- Sai số giữa hệ số KL và KL* là đáng kể

- Nguyên nhân do trong quá trình thực hành thí nghiệm người vận hành không đủ trình

độ, chưa thành thạo và không cẩn thận Thiết bị có tổn thất nhiệt trong quá trình thực hành