Truyền nhiệt ống lồng ống

Phương trình biểu diễn quá trình truyền nhiệt Lượng nhiệt Q truyền qua tường phẳng trong một đơn vị thời gian – hệ số cấp nhiệt ở hai phía của tường,giữa lưu thể và bề mặt tường, W/m2.K

C1, C2: nhiệt dung riêng trung bình của dòng nóng và dòng lạnh, J/kg.K

tv1, tR1:nhiệt độ vào và ra của dòng nóng, oC

tv2, tR2: nhiệt độ vào và ra của dòng lạnh, oC

Phương trình biểu diễn quá trình truyền nhiệt

Lượng nhiệt Q truyền qua tường phẳng trong một đơn vị thời gian

– hệ số cấp nhiệt (ở hai phía của tường,giữa lưu thể và bề mặt tường), (W/m2.K)

r1, r2 –nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của tường, (m2.K/W)

nhiệt trở của lớp tường thứ i, (m2.K/W)

i – hệ số dẫn nhiệt lớp tường tương ứng thứ i, (W/m.K)

Phương trình truyền nhiệt qua tường hình trụ nhiều lớp:

 Trong đó:

α1, α2 – hệ số cấp nhiệt (ở hai phía của ống,giữa lưu thể và bề mặt ống), (W/m2.K);

r1, r2 –nhiệt trở của cặn ở phía trong và ngoài của ống, (m2.K/W);

d1 và dn+1 –đường kính trong và ngoài của ống, (m);

di và di+1 –đường kính trong và ngoài của lớp ống thứ i, (m);

λi–hệ số dẫn nhiệt của lớp ống thứ i, (W/m.K);

Hiệu số nhiệt độ trung bình của lưu thể chuyển động cùng chiều và ngược chiều:

, (K) (công thức Δtlog)

trong đó Δt1 và Δt2 –hiệu số lớn và nhỏ của các chất tải nhiệt, (K)

Khi thì hiệu số nhiệt độ trung bình có thể tính theo trug bình cộng:

Δtlog : chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit, K

Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit:

(3)

Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết, Kl

dng, dtr :đường kính ngoài và trong của ống truyền nhiệt, m

λ :hệ số dẫn nhiệt của ống, W/mK

rb :nhiệt trở của lớp cản

db :đường kính lớp cản, m

Lớp cản ở bài thí nghiệm này xem như không đáng kể, tức rb và db → 0

Hệ số cấp nhiệt α1, α2 giữa vách ngăn và dòng lưu chất

Nu=A.RemPrn()0,25

Các hệ số A, n, m, là các hệ số thực nghiệm tùy vào các yếu tố sau:

 Chế độ chảy của dòng lưu chất

 Sự tương quan giữa dòng chảy và bề mặt truyền nhiệt

 Đặc điểm của bề mặt truyền nhiệt (độ nhám, hình dạng,…)

Thiết bị thí nghiệm

Hệ thống thiết bị thí nghiệm có 2 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 nhau

• Kiểu B (B1, B2): Loại ống lồng ống đơn giản, lưu chất chảy dọc bề mặt ngoài của ống Hai dòng chảy có phương song song với nhau

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

Phương pháp thí nghiệm

 Mở van 1 châm nước vào đầy bồn chứa– gia nhiệt rồi đóng lại

 Khi đèn Nguồn sáng báo có điện bật lên

 Xoay công tắc (màu đen) của Gia Nhiệt theo chiều kim đồng hồ Đèn hoạt động ( màu đỏ) sáng Cụm gia nhiệt hoạt động

 Đóng tất cả các van Mở van 2

 Sau 30 phút bấm nút chạy màu xanh của Bơm Đèn hoạt động màu đỏ sáng Bơm ly tâm hoạt động và bơm nước tuần hoàn

 Chờ cho nhiệt độ hệ thống ổn định, mở 1 trong các cặp van tương ứng : 4 – 8, 5 – 9, 6

– 10 Điều chỉnh van 3 và 7 để có lưu lượng dòng nóng và dòng lạnh theo yêu cầu

Chỉ số lưu lượng được đọc trên lưu lượng kế

 Chờ 5 phút rồi ấn và giữ nút cần thiết( màu vàng) trong số 4 nút trên tủ điện để có

nhiệt độ tại vị trí tương ứng

II Số liệu và xử lý số liệu

77,6

33,4

38,2

36,1

81,4

75,3

33,8

38,0

82,9

75,2

33,7

82,9

75,6

34,1

37,9

82,9

75,2

33,9

Kiểu ống Đường kính ốngtrong, mm Đường kính ốngngoài, mm Chiều dài ống,mm

Từ t1tb trang bảng và dùng phương pháp nội suy ta tìm được khối lượng riêng và nhiệt

dung riêng của lưu chất:

Thực hiện phép tính tương tự như trên cho dòng lạnh và cho các trường hợp khác

của lưu lượng dòng nóng và dòng lạnh ta có kết quả tính toán nhiệt lượng như sau:

Dòng nóng ống A:

G1, l/ph G1, m 3 /s G1, kg/s G2, l/ph t1V t1R t1 TB ρ1,

kg/m 3 C1,

J/Kg.K Q1, W

Trong đó Q1 : nhiệt lượng của dòng nóng

Q2 : nhiệt lượng của dòng lạnh

2.2. Tính hiệu số nhiệt độ trung bình loragit

Trong đó ∆tl : hiệu số nhiệt độ lớn giữa các chất tải nhiệt

∆tN : hiệu số nhiệt độ nhỏ giữa các chất tải nhiệt

∆tl ; ∆tN được tính như sau:

Đối với dòng lạnh thì tiết diện ống mà lưu chất chảy qua sẽ tính bằng công thức sau: F= π(0.0262-0.0162)/4

l: kích thước hình học đặc trưng l có giá trị như sau:

Đối với dòng nóng thì kích thước hình học đặc trưng ( cả ống A và B) sẽ bằng đườngkính trong của ống trong, tức l = 14mm = 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 chạy men theo phía ngoài thành ống vuông góc với dòng nóng).

+ Đối với ống B:

ρ: khối lượng riêng của lưu chất tra bảng và tính nội suy theo nhiệt độ trungbình 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 cũng tra bảng theo nhiệt độ như khối lượng riêng ở trên

Áp dụng cách tính ở trên ta có kết quả tính toán như sau:

11755.55

11847.90

16054.71

15872.23

15894.18

15855.73

10 4 77.00 971.65 0.000731 1.083 0.014

20161.68

19931.85

19753.94

19787.94

Dòng lạnh ống B 2 :

2.4 Tính hệ số dẫn cấp nhiệt α1, α2

Xác định hệ số dẫn nhiệt và chuẩn số Pr của dòng nóng và dòng lạnh

Từ nhiệt độ trung bình t1tb của dòng nóng ta tra bảng và tính nội suy ra được hệ số dẫn nhiệt λ1 của dòng nóng

Từ nhiệt độ trung bình t2tb của dòng lạnh ta tra bảng và tính nội suy ra được hệ số dẫn nhiệt λ2 của dòng lạnh

Từ đó ta tính được chuẩn số Pr của dòng nóng và dòng lạnh như sau:

t1tb, t2tb : nhiệt độ trung bình của dòng nóng và dòng lạnh

Từ tv1, tv2 vừa tìm được tra bảng ta tìm được chuẩn số Prv của dòng nóng và dòng lạnh

Từ đó ta tính được hệ số Nu theo công thức sau:

• Đối với ống A:

5< Re < 103 Nu = 0,5.Re0,5.Pr0,38(Pr/Prv)0,25

Sau khi tìm được α1,α2 ta kiểm tra lại ∆t1,∆t2 bằng phương trình sau:

Tính K:

Do => ta có thể xem bề mặt truyền nhiệt là tường phẳng nên K có thểđược tính theo công thức sau (cho cả ống A và B):

Trong đó α1,α2: 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 liêu thép không gỉ (inox) nêntra bảng ta tìm được hệ số dẫn nhiệt của tường λ = 23.334 W/m.K

Thế K vào ta tính được ∆t1 và ∆t2 đem so sánh với ∆t1 và ∆t2 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 nầy 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

α2 ,W/m 2 K

8 8

13.95

118.1

3 4665.27

15.20

100.0

2 3955.33

13.02

118.5

1 4683.16

14.11

α2 ,W/m 2 K

74.4

36.44

73.3

9 2.76 10.78 678.26

11.41

68.1

29.18

66.2

8 2.94 24.39 1534.68

15.02

64.4

24.81

61.9

1 3.05 37.43 2355.34

17.56

62.1

21.67

9 2.77 10.56 662.95

6 6 8.66

70.3

31.95

68.3

0 2.89 24.27 1524.11

12.00

67.9

28.37

65.0

2 2.97 37.57 2361.05

14.21

65.1

25.16

66.0

3 2.95 37.48 2352.68

12.39

66.6

1 2.93 37.41 2346.28

11.04

α2 ,W/m 2 K

18.73

61.7

21.31

66.3

15.4665.7

6 10

17.73

66.3

15.25

Ta dùng các giá trị α1,α2 này để tính hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết.

2.5 Tính hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết Kl *

voi : =0

α1,α2 : hệ số cấp nhiệt vừa được tính ở trên

dng: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, dng = 0.016m ( cả ống A và B)

dtr : đường kính trong của ống truyền nhiệt , dtr = 0.014 m (cả ống A và B)

λ: hệ số dẫn nhiệt của ống, ống được làm bằng thép không gỉ nên

λ=23.334W/m.KThế các đạ lượng vào công thức trên ta tính được hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết như sau:

ảnh hưởng của lưu lượng đến quá trình truyền nhiệt.

– Trong cùng một lưu lượng nóng bằng nhau, khi tăng lưu lượng dòng lạnh (V = 4, 8,12 lít/ph) thì hệ số truyền nhiệt cũng tăng.

– Nếu lưu lượng dòng lạnh bằng nhau và qua các mức tăng lưu lượng dòng nóng (V=

4, 8, 12 lít/ph) thì hệ số truyền nhiệt cũng sẽ tăng.

Dựa vào đồ thị: hệ số truyền nhiệt thực tế và lý thuyết có sự khác nhau trong chế độ chảy Hệ số truyền nhiệt lý thuyết luôn lớn hơn hệ số truyền nhiệt thực tế Trong thí nghiệm này sai số lên tới hàng trăm đơn vị Quá trình tính toán cũng góp phần vào sự sai số rất nhiều.

Tổn thất nhiệt trong quá trình tính toán của ống A là cao nhất.

Ảnh hưởng của chế độ chảy lên quá trình truyền nhiệt:

Chế độ chảy rối làm tăng khả năng truyền nhiệt vì chế độ chảy rối xảy ra khi vận tốc chảy lớn làm tăng khả năng va chạm của lưu chất lên thành ống nên khả năng truyền nhiệt lớn.

Chế độ chảy dòng tuy dòng chảy ở tốc độ tháp nhưng cũng có khả năng truyền nhiệt nhưng dòng nhiệt này cung cấp đều lên tường theo dòng chảy.

Chảy chuyển tiếp là chế độ chảy giao toa giữa hai chế độ chảy trên vì thế khả năng truyền nhiệt cũng nằm trong khoảng giữa của hai chế độ.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số cấp nhiệt

 Chế độ chảy của dòng lưu chất.

 Môi chất.

 Nhiệt độ của vách.

 Vật liệu làm ống.