thí nghiệm truyền nhiệt ống lồng ống

I TRÍCH YẾU 1) Mục đích thí nghiệm: Làm quen với thiết bò truyền nhiệt ống lồng ống, dụng cụ đo nhiệt độ lưu lượng lưu chất - Xác đònh hệ số truyền nhiệt trình truyền nhiệt hai dòng lạnh, nóng, qua vách ngăn kim loại, chế độ chảy khác - Thiết lập cân nhiệt lượng - 2) Phương pháp thí nghiệm: Tiến hành thí nghiệm với loại ống khác (ống B ống C) với chế độ dòng chảy khác Cụ thể sau: - Với loại ống, ta làm thí nghiệm với nhiều giá trò lưu lượng dòng nóng - Ứng với giá trò dòng nóng ta đo giá trò dòng lạnh - Đọc nhiệt độ dòng ra, vào ứng với trường hợp cụ thể 3) Kết quả: - Từ kết quảnhiệt độ dòng nóng, dòng lạnh đầu vào, đầu ta tính giá trò nhiệt lượng Q, tổn thất nhiệt ΔQ, giá trò Δtlog, hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm Kl1, Kl2 ứng với dòng nóng, dòng lạnh, hệ số cấp nhiệt α1, α2 vách trong, ống truyền nhiệt - Ta tính hệ số Re dòng chảy, hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết K l* lập bảng kết tính Kl1, Kl2 Kl* theo chế độ chảy Re - Sau cùng, ta dựng đồ thò Kl*, Kl1, Kl2 theo Re 4) Nhận xét: Nhiệt độ trung bình dòng lạnh ống C gần so với nhiệt độ trung bình dòng lạnh ống B - Nhiệt độ trung bình dòng lạnh ống C cao từ ÷ 10 độ so với nhiệt độ trung bình ống B • Qua nhận xét sơ trên, ta thấy cho dòng nước nóng (ở 100oC) dòng nước lạnh (ở 38oC) chảy qua hệ thống ống B C, ống C việc trao đổi nhiệt diễn hiệu so với ống B (biểu kết nhiệt độ trung bình - dòng lạnh vào ống C B gần nhau, nhiệt độ trung bình dòng nóng ống C lại cao so với ống B) • Về ảnh hưởng chế độ chảy Re lên hệ số truyền nhiệt dài ống B C phân tích qua bảng đồ thò sau LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM: Quá trình truyền nhiệt thiết bò dạng ống lồng ống ví dụ truyền nhiệt phức tạp: trao đổi nhiệt hai lưu chất ngăn cách vách ngăn kim loại bao gồm: − Truyền nhiệt đối lưu từ dòng nóng đến vách − Dẫn nhiệt qua thành ống kim loại − Đối lưu nhiệt dòng lạnh với thành ống Phương trình cân nhiệt lượng cho hai dòng lưu chất: Q = G1C1(tv1 – tR1) = G2C2(tR2 - tv2), W G1, G2: lưu lượng dòng nóng lạnh, kg/s C1, C2: nhiệt dung riêng trung bình dòng nóng lạnh, J/kg.K tv1, tR1: nhiệt độ vào dòng nóng, 0C tv2, tR2: nhiệt độ vào dòng lạnh, 0C Phương trình biễu diễn trình truyền nhiệt: Q = Kl.∆tlog.L L: chiều dài ống, m Kl: hệ số truyền nhiệt dài, W/m.K ∆tlog: chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit, K Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit: II ∆t log = ∆t L − ∆t N ∆t log L ∆t N Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết, K l*: π * Kl = d ng r 1 + ln + + b α d tr 2λ d tr α d ng d b dng, dtr: đường kính ống truyền nhiệt, m λ: hệ số dẫn nhiệt ống, W/mK rb: nhiệt trở lớp cáu db: đường kính lớp cáu, m Hệ số cấp nhiệt α1, α2 vách ngăn dòng lưu chất:  Pr Nu = A Re Pr   Prv m n    0., 25 ε lε R A, n, m, εl, εR: Các hệ số thực nghiệm, tùy thuộc vào yếu tố: Chế độ chảy dòng lưu chất Sự tương quan dòng chảy bề mặt truyền nhiệt Đặc điểm bề mặt truyền nhiệt (độ nhám, hình dạng ) III DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 1) Dụng cụ, thiết bò thí nghiệm: − Hệ thống thiết bò thí nghiệm có kiểu kết cấu bề mặt truyền nhiệt:  Kiểu A: Loại ống nhún (ống đàn hồi được)  Kiểu B: Loại ống lồng ống mà lưu chất chảy ngang mặt ống trong, hai dòng chảy có phương vuông góc  Kiểu C: Loại ống lồng ống đơn giản, lưu chất chảy dọc bề mặt ống trong, hai dòng chảy có phương song song − Nồi đun nước có điện trở gia nhiệt − Bơm nước lên hệ thống ống − Các loại van − Lưu lượng kế phao − Dụng cụ đo nhiệt độ − Kích thước ống: Kiểu ống Đường kính ( mm ) Ống Ống ngồi Chiếu dài ( mm ) B • - - - - Φ 14/16 Φ 26/28 925 Φ 1000 14/16 26/28 2) Phương pháp thí nghiệm: Chuẩn bò: Làm quen với hệ thống thiết bò, tìmhiểu van tác dụng Làm quen với thiết bò đo nhiệt độ, vò trí đo cách điều chỉnh công tắc để đo nhiệt độ Làm quen với thiết bò đo lưu lượng cách điều chỉnh lưu lượng Xác đònh đại lượng cần đo Đo lưu lượng dòng nóng, dòng lạnh, nhiệt độ vò trí cần thiết Lập bảng ghi kết đo Trình tự thí nghiệm: Cấp nước đầy vào nồi đun (khi nước bắt đầu chảy qua ống chảy tràn) Đóng cầu dao R1, R2, R3 R4 để đun nước Trong lúc chờ nước đạt nhiệt độ cần thiết, tìm hiểu đường dòng hệ thống thí nghiệm van chiều I II (mặc đònh van I cố đònh) Khi nước sôi, bắt đầu tiến hành thí nghiệm Mở van V1, V2, V3, V6 V7 Van V5 đóng Đóng cầu dao P1 để khởi động bơm, bơm dòng nóng vào hệ thống thiết bò thí nghiệm Muốn khảo sát ống ta mở van chặn tương ứng đầu vào dòng nóng (VN1, VN2, VN3, VN4, VN5) đầu dòng lạnh (VL1, VL2, VL3, VL4, VL5) ống Khóa tất van khác lại Đóng từ từ van V3 để điều chỉnh lưu lượng dòng nóng (hoàn lưu phần dòng nóng lại nồi đun) Chú ý dòng nóng đo liên tục hoàn lưu để ta điều chỉnh lưu lượng dòng nóng.Do có lưu lượng kế nên ta dùng van II để cố đònh lưu lượng dòng nóng, sau đổi chiều van II để đo lưu lượng dòng lạnh (ứng với lưu lượng dòng nóng đo giá trò lưu lượng dòng lạnh) C • - Φ Chú ý: Khi đổi chiều van II cần đổi chiều van III van IV hướng dòng tránh gây hư hỏng R hay ảnh hưởng tới giai đoạn thí nghiệm - Ghi đại lượng cần đo trình ổn đònh hoàn toàn - Điều chỉnh lưu lượng dòng để thay đổi chế độ chảy lặp lại thí nghiệm với thông số ổn đònh - Trong này, ta đo giá trò ống B ống C - N ù c b o å s u n g Dòng nóng V 1 N V V V Dòng lạnh V N o ù n g R III V B A Û N G Đ IE N Ä R T I R H ie å n t h ò n h ie ä t đ o ä R P IV II L B A Û N G C H Ỉ V Ị T R ÍĐ O K V V n K V n V n K V n V n S đ o h e ä t h o n g t h ín g h ie m ä t r u y e n n h ie ä t o n g lo n g o n g L a ï n h V L V L V L V L N 1 N L S C C ( H ìn h v e õ m o â t a û t r ø n g h ï p d o n ø g n o ù n g v a ø la ï n h c h u y e å n đ o ä n g n g ï c c h ie u ,đ o lư u lư ï n g d o ø n g n o ù n g ) đ a u d o ø n h ie ä t đ o ä đ o n g h o đ o n h ie ä tđ o ä III,IV :v a n đ o å ic h ie u h o a ø n lư u n ù c n o ù n g h o a ë c x a û d o ø n g la ï n h II:v a n đ o å ic h ie u c u û a d o ø n g la ï n h h o a ë c n o n ù g đ e å đ o lư u lư ï n g I:v a n đ o å ic h ie u c h u y e å n đ o n ä g c u û a d o ø n g la n ï h N :n o ù n g ( đ ie m å ).L :la ï n h (6 đ ie å m ) S :b e m a ë t (4 đ ie å m ) K :v ò t r íc a n đ o c u û a d o ø n g la ï n h K :v ò t r íb e m a ë t o n g c a n đ o R , R , R , R : C a u d a o đ ie ä n t r û S C C B N N A N S h ù n g c h a û y c u a û n ù c t a ï ic a ù c v a n đ o å ic h ie u n ù c t h a û iđ i K :v ò t r íc a n đ o c u û a d o ø n g n o ù n g P :c a u d a o b m n ù c n o n ù g S L L L L N N N N N Sơ đồ thí nghiệm Tổn thất nhiệt có đáng kể không Tại sao? Tổn thất nhiệt đáng kể, thể việc nhiệt lượng dòng nóng lớn nhiều so với nhiệt nhận vào dòng lạnh Nguyên nhân: − Nhiệt lượng truyền cho ống làm ống nóng lên − Tại vò trí dòng nóng chảy dòng lạnh bao quanh có tổn thất trình truyền nhiệt từ dòng nóng qua ống đến môi trường xung quanh bọc lớp cách nhiệt − Trên đường ống lâu ngày có đóng cặn bẩn góp phần làm tổn hao nhiệt lượng − Tổn thất nhiệt qua van van bò rò rỉ sau thời gian sử dụng − Sai số đọc nhiệt độ trình thí nghiệm làm kết tính toán không xác − Sự mát nhiệt dọc chiều dài ống Đường dài lượng nhiệt tổn thất nhiều Đường ống làm đồng không bọc lớp cách nhiệt nên tổn hao nhiệt môi trường xung quanh nhiều so với vật liệu khác − Ở đây, mát nhiệt dòng lạnh không đáng kể Vì có truyền nhiệt nhiệt độ dòng lạnh tăng không đáng kể nên chênh lệch nhiệt độ với ống không đáng kể bỏ qua Mức độ sai số, nguyên nhân gây sai số lúc làm thí nghiệm? Biện pháp khắc phục? a Nguyên nhân gây sai số trình thí nghiệm: − Sai số xác đònh lưu lượng dòng nóng lạnh: lưu lượng dòng nóng dòng lạnh dù điều chỉnh không đạt trạng thái ổn đònh tuyệt đối, có lẫn nhiều bọt khí − Sai số trình đọc nhiệt độ: đọc nhiệt độ không thời điểm (chưa có cân nhiệt lượng), nhiệt độ không ổn đònh − Bơm lưu chất hoạt động không ổn đònh (do điện không ổn đònh) − Sai số rò rỉ lưu lượng chất lỏng hệ thống ống: vò trí ống nối, van không kín chảy nước làm giảm lưu lượng − Sai số ống không bọc lớp cách nhiệt gây thất thoát nhiệt trao đổi nhiệt ống với môi trường bên − Sai số chỉnh van II thay đổi chiều dòng chảy để đo lưu lượng: chỉnh van không hợp với ống góc 45 0, dòng chảy không đổi hướng hoàn toàn, phần dòng nóng hòa trộn với dòng lạnh gay tổn thất nhiệt − Sai số nước thí nghiệm không nước tinh khiết thông số dùng tính toán nước tinh khiết − Sai số hệ thống dụng cụ đo không xác − Bỏ qua ảnh hưởng lớp bẩn thành ống b Ảnh hưởng sai số đến khác biệt kết thực nghiệm lý thuyết: − Dẫn đến sai số dây chuyền trình tính toán − Từ nhiệt độ đọc ta suy ∆tlog Do có sai số dẫn đến Kl, Q sai do: Q Kl = ∆t log L Q = G.C.∆t − Nhiệt độ đọc sai > tra hệ số λ sai > tính α sai > sai hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết K l* − Đồng thời tra khối lượng riêng không xác dẫn đến sai số tính Re làm tính xác giản đồ c Biện pháp khắc phục: − Thao tác thí nghiệm phải xác, chỉnh van II phải lúc chỉnh phải ấn vào để nước không rò rỉ Có thể tiến hành thử nhiều lần cho thục trước thí nghiệm thức − Để đồng hồ đo nhiệt độ, lưu lượng kế ổn đònh đọc, đọc xác số liệu cách đọc giá trò trung bình đồng hồ đo − Nước dùng trình thí nghiệm tốt − Kiểm tra vò trí van trước làm thí nghiệm − Thường xuyên vệ sinh đường ống − Tiến hành thí nghiệm lặp lại nhiều lần đề tìm giá trò xác với sai số nhỏ So sánh hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm K l với hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết K l*: − Ở Kl Kl* không giống − Nguyên nhân: K l* = π d ng r 1 + ln + + b α d tr 2λ d tr α d ng d b  Bỏ qua giá trò rb db : không xác đònh bề dày lớp cáu (bẩn) ảnh hưởng rb db trình truyền nhiệt (bỏ qua K lớn)  Xác đònh hệ số dẫn nhiệt # cho ống đồng đỏ nguyên chất thực tế nguyên liệu làm ống dẫn không nguyên chất  Các giá trò xác đònh mắc phải sai số tính toán nhiệt độ vách, nhiệt độ lưu chất để xác đònh chuẩn số Nu, Pr  Nhiệt lượng tổn thất chưa bù sai số trình làm thí nghiệm  Ở trình truyền nhiệt phức tạp tính toán kể đến ảnh hưởng chẳng hạn bỏ qua đối lưu tự nhiên dòng chảy màng ống B dẫn đến sai số cao ... PHÁP THÍ NGHIỆM 1) Dụng cụ, thiết bò thí nghiệm: − Hệ thống thiết bò thí nghiệm có kiểu kết cấu bề mặt truyền nhiệt:  Kiểu A: Loại ống nhún (ống đàn hồi được)  Kiểu B: Loại ống lồng ống mà lưu... trình truyền nhiệt thiết bò dạng ống lồng ống ví dụ truyền nhiệt phức tạp: trao đổi nhiệt hai lưu chất ngăn cách vách ngăn kim loại bao gồm: − Truyền nhiệt đối lưu từ dòng nóng đến vách − Dẫn nhiệt. .. vào ống C B gần nhau, nhiệt độ trung bình dòng nóng ống C lại cao so với ống B) • Về ảnh hưởng chế độ chảy Re lên hệ số truyền nhiệt dài ống B C phân tích qua bảng đồ thò sau LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM: