Tài liệu Thí nghiệm Nhiệt động lực học và Truyền nhiệt ĐH Bách Khoa TPHCM

TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT BÀI 1: XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI KHÔNG KHÍ ẨM VÀ TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NHIỆT ỐNG KHÍ 1.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA THÍ NGHIỆM 1.1.1 Mục đích thí ngh

TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM NHIỆT ĐỘNG VÀ TRUYỀN NHIỆT

BÀI 1: XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI KHÔNG KHÍ ẨM VÀ TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NHIỆT ỐNG KHÍ

1.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA THÍ NGHIỆM

1.1.1 Mục đích thí nghiệm

- Biết cách đo nhiệt độ (khô, ướt), lưu lượng gió, áp suất, thể tích

- Hiểu quá trình làm lạnh có tách ẩm của không khí ẩm

- Hiểu nguyên lý làm việc và các thiết bị cơ bản của chu trình lạnh đơn giản

- Tính toán cân bằng nhiệt trong ống khí

1.1.2 Yêu cầu chuẩn bị

Sinh viên đọc kỹ phần lý thuyết các phần sau trước khi vào tiến hành thí nghiệm:

- Nhiệt kế khô và nhiệt kế ướt

- Thiết bị đo tốc độ gió

- Thiết bị đo thể tích

- Thước kẹp

1.2.2 Mô tả thí nghiệm

Không khí được quạt thổi qua dàn lạnh của máy lạnh Trước và sau dàn lạnh có đặt các bầu nhiệt

kế khô ướt để xác định trạng thái của không khí ẩm

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

KHOA CƠ KHÍ

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

Tại đầu ra của ống khí động có sử dụng 1 thiết bị đo tốc độ gió để xác định tốc độ và nhiệt độ

- Sử dụng các bầu nhiệt kế khô và nhiệt kế ướt để xác định trạng của không khí tại các vị trí

trước dàn lạnh (cũng chính là trạng thái không khí của môi trường xung quanh) và sau dàn

lạnh

- Sử dụng thiết bị đo tốc độ gió xác định vận tốc gió và nhiệt độ gió ra khỏi ống khí động, từ

đó xác định lưu lượng không khí qua ống khí động

- Xác định áp suất bay hơi và áp suất ngưng tụ của máy lạnh

- Từ các số liệu trên, sinh viên xác định:

Biểu diễn quá trình thay đổi trạng thái của không khí trên đồ thị t-d (hoặc I-d)

Nhiệt lượng không khí nhả ra khi qua dàn lạnh

Lượng ẩm tách ra khỏi dàn lạnh theo tính toán và giá trị thực tế nhận xét

Biểu diễn các trạng thái của tác nhân lạnh trên đồ thị T-s (ứng với chu trình lạnh lý

thuyết, bỏ qua độ quá nhiệt quá lạnh)

1.4 SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM

Khi hệ thống đã hoạt động ổn định, bắt đầu xuất hiện nước ngưng tại dàn lạnh, sinh viên tiến

hành làm thí nghiệm với yêu cầu sau:

Sinh viên tiến hành thí nghiệm 2 đợt (ghi chú: sau mỗi lần lấy số liệu xong sinh viên thay đổi lưu lượng gió qua dàn lạnh):

Thí nghiệm đợt 1: thời gian 15 phút, số lần lấy số liệu là 3 lần

Thí nghiệm đợt 2: thời gian 10 phút, số lần lấy số liệu là 4 lần

Bảng 2 & 3: các thông số trạng thái của không khí ẩm:

Thí nghiệm đợt 1 Không khí trước dàn lạnh Không khí sau dàn lạnh

t k ( o C) t ư ( o C) d(g/kg) I(kJ/kg) t k ( o C) t ư ( o C) d(g/kg) I(kJ/kg) Lần 1

Lần 2

Lần 3

Thí nghiệm đợt 2 Không khí trước dàn lạnh Không khí sau dàn lạnh

t k ( o C) t ư ( o C) d(g/kg) I(kJ/kg) t k ( o C) t ư ( o C) d(g/kg) I(kJ/kg) Lần 1

Lần 2

Lần 3

Lần 4

Bảng 4 và 5: Các thông số khác liên quan đến không khí ẩm

Thí nghiệm đợt 1 Vận tốc gió ra

khỏi ống v(m/s) Nhiệt độ gió ra khỏi ống( o C)

Lượng ẩm tách ra (ml)

Lần 1 Lần 2 Lần 3

Thí nghiệm đợt 2 Vận tốc gió ra

khỏi ống v(m/s) Nhiệt độ gió ra khỏi ống( o C)

Lượng ẩm tách ra (ml)

Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4

Bảng 6 & 7: Các số liệu liên quan đến chu trình lạnh

Thí nghiệm đợt 1

Áp suất bay hơi đọc trên

áp kế (kgf/cm 2 )

Nhiệt độ sôi tương ứng ( o C)

Áp suất ngưng

tụ đọc trên áp

kế (kgf/cm 2 )

Nhiệt độ ngưng tụ tương ứng ( o C) Lần 1

Lần 2 Lần 3

Thí nghiệm đợt 2

Áp suất bay hơi đọc trên

áp kế (kgf/cm 2 )

Nhiệt độ sôi tương ứng ( o C)

Áp suất ngưng

tụ đọc trên áp

kế (kgf/cm 2 )

Nhiệt độ ngưng tụ tương ứng ( o C) Lần 1

Lần 2 Lần 3 Lần 4

BÀI 2: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ SỬ DỤNG NHIỆT COP () CHO CHU TRÌNH

MÁY LẠNH VỚI THIẾT BỊ NGƯNG TỤ GIẢI NHIỆT BẰNG KHÔNG

KHÍ VÀ THIẾT BỊ BAY HƠI LÀM LẠNH KHÔNG KHÍ

2.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA THÍ NGHIỆM

2.1.1 Mục đích thí nghiệm

- Giúp sinh viên có khả năng kết hợp các kiến thức giữa lý thuyết và thực hành

- Nắm được chu trình hoạt động cơ bản của thiết bị làm lạnh không khí có kết hợp một số thiết

bị phụ trong sơ đồ hoạt động

- Giúp sinh viên có thể đo đạc thông số nhiệt độ, áp suất để tính nhiệt lượng, hệ số làm lạnh thực tế của thiết bị

2.1.2 Yêu cầu thí nghiệm

- Sinh viên phải nắm được chu trình lạnh

- Biết ứng dụng các công thức trong sơ đồ lạnh

Hình 2

Chu trình máy lạnh được biểu diễn trên đồ thị logp-I và T – S gồm các quá trình như sau:

(Sinh viên tự vẽ hai đồ thị này trong bài báo cáo thí nghiệm)

1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt hơi trong máy nén

2-3: Quá trình ngưng tụ đẳng áp

3-4: Quá trình tiết lưu trong van tiết lưu

4-1: Quá trình bay hơi đẳng nhiệt và đẳng áp trong thiết bị bay hơi

Các vị trí đo nhiệt độ và áp suất trong chu trình máy lạnh

Các áp kế p1 và p2 dùng để đo áp suất hút và đẩy sau van tiết lưu và sau đầu đẩy của máy nén (A)

Nhiệt độ của tác nhân lạnh R12 đi vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ (B) được đo bằng các sensor

T1 và T2

Nhiệt độ của không khí giải nhiệt đi vào và đi ra khỏi thiết bị ngưng tụ (B) được đo bằng các sensor T3 và T4

Nhiệt độ của tác nhân lạnh R12 đi vào và ra khỏi thiết bị bay hơi (J) được đo bằng các sensor

và ra khỏi thiết bị bay hơi, nhiệt độ của không khí giải nhiệt khi vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ

và nhiệt độ của không khí khi vào và ra khỏi thiết bị bay hơi Sau đó kết hợp với kết quả tính toán

để xác định:

- Các thông số trạng thái trong chu trình thực của máy lạnh

- Hệ số sử dụng nhiệt COP () của chu trình lý thuyết và chu trình thực

- Phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ Qk

- Lượng không khí cần thiết để giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ Gkk

T6

Nhiệt độ không khí bên ngoài buồng lạnh

Ta = T3

Bảng 2- Các số liệu đo của tác nhân lạnh trong chu trình

2 Áp suất của tác nhân lạnh ghi trong bảng 2 nói trên là áp suất tuyệt đối

Bảng 3- Các thông số của R12 trong chu trình máy lạnh

Phần tính toán

a Xác định các thông số trạng thái của tác nhân lạnh

Từ các thông số áp suất trong bảng 2, dựa vào các bảng tra “Các tính chất nhiệt động của R12 ở trạng thái bão hòa” và “Các tính chất nhiệt động của R12 ở trạng thái quá nhiệt” sinh viên xác định các thông số của R12 tại các điểm trong chu trình máy lạnh và viết vào bảng 4

b Tính phụ tải của buồng lạnh:

Phụ tải của buồng lạnh trong trường hợp này chính là lượng nhiệt từ môi trường bên ngoài truyền vào qua các vách buồng lạnh do sự chênh lệch nhiệt độ

i Tính mật độ dòng nhiệt q (W/m 2 ) truyền qua mỗi vách theo công thức:

2 n

1

i i i 1

6 3

1 1

T T q

i - Hệ số dẫn nhiệt của lớp vách thứ i (tra theo bảng 5), W/mK

1 - Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của không khí bên ngoài buồng lạnh, W/m2K

Bảng 4- Hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu

Loại vật liệu Hệ số dẫn nhiệt (), W/mK

c Xác định lưu lượng R12 (kg/s) làm việc trong chu trình máy lạnh (bỏ qua tổn thất lạnh

qua môi trường xung quanh) theo công thức:

4 1

0 12

R

i i

Q G



Trong đó:

Q0 - Phụ tải của buồng lạnh, kW

i1, i4 - Entanpy của R12 tại điểm 1 và 4 trong bảng 4, kJ/kg

d Xác định phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ Qk (kW)

e Xác định lưu lượng không khí Gkk qua thiết bị ngưng tụ Qk (kg/s)

f Xác định công nén đoạn nhiệt của máy nén W (kW)

g Xác định hệ số làm lạnh  (COP) của chu trình

BÀI 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

3.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA THÍ NGHIỆM

3.1.1 Mục đích thí nghiệm

Quan sát quá trình trao đổi nhiệt của ống xoắn và vỏ bọc chùm ống Tính hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị và hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt

3.1.2 Yêu cầu chuẩn bị

Sinh viên tìm hiểu các phần lý thuyết trước khi tiến hành thí nghiệm:

Các dạng truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ Công thức tính nhiệt lượng cho quá trình nhận nhiệt và nhả nhiệt của nước Công thức tính hệ số truyền nhiệt và hệ số Reynold

3.2 MÔ TẢ THÍ NGHIỆM

3.2.1 Thiết bị và vật tư thí nghiệm

Thiết bị gồm 2 bộ trao đổi nhiệt (ống xoắn và vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt cùng chiều hoặc ngược chiều

Hình 1: Bộ trao đổi nhiệt dạng ống xoắn

Hình 2: Vỏ bọc chùm ống

Hình 3: Bộ đo lưu lượng của nước nóng và nước lạnh lần lượt FI1 và FI2

- Có 4 cảm biến nhiệt độ dùng đo nhiệt độ vào và ra của nước nóng và nước lạnh đi qua bộ trao đổi nhiệt Nhiệt độ được hiển thị trên màn hình

Hình 4: Màn hình hiển thị

 Các đặc điểm kỹ thuật:

- Bộ coil exchanger với bề mặt trao đổi nhiệt khoảng 0,1 m2, kí hiệu E2

- Coil làm từ thép không gỉ AISI 316, đường kính ngoài ống 12 mm, bề dày 1mm, chiều dài 3500 mm

- Ống bọc ngoài làm từ thủy tinh borosilicate, đường kính trong 100 mm

- Bộ shell-and-tube exchanger, bề mặt trao đổi nhiệt khoảng 0,1 m2, kí hiệu E1

- Có 5 ống làm từ thép AISI 316 , đường kính ngoài ống 10 mm, bề dày 1mm và chiều dài 900mm

- Ống bọc ngoài làm từ thủy tinh borosilicate, đường kính trong 50mm

- Có 13 khoảng chia với kích thước khoảng 75% đường kính

3.2.2 Mô tả thí nghiệm

 Bắt đầu:

- Kiểm tra các đường nước vào, nước ra được gắn chặt vào đường ống

- Kiểm tra nguồn điện

- Kiểm tra bình cấp nước nóng

- Đóng các van xả

- Bật công tắc bảng hiện thị nhiệt độ

- Bật bơm chạy các đường nước nóng và lạnh

- Nước nóng và nước lạnh chạy qua hai bộ trao đổi nhiệt và nhiệt độ được hiển thị trên màn hình

3.3 NHIỆM VỤ THÍ NGHIỆM

 Lần lượt tiến hành các bài thí nghiệm sau và lấy số liệu:

a Chạy bộ E1 (vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt cùng chiều:

Mở các van V1, V6, V7, V8 và V10

Đóng các van V2, V3, V4, V5, V9 và V11

b Sử dụng bộ E1 (vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt ngược chiều:

Mở các van V1, V6, V7, V9 và V11

Đóng các van V2, V3, V4, V5, V8 và V10

c Sử dụng bộ E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt cùng chiều:

Mở các van V3, V4, V5, V8 và V10

Đóng các van V1, V2, V6, V7, V9 và V11

d Sử dụng bộ E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt ngược chiều:

Mở các van V3, V4, V5, V9 và V11

Đóng các van V1, V2, V6, V7, V8 và V10

- Điều chỉnh lưu lượng nước nóng và lưu lượng nước lạnh bằng các van Mỗi lần điều chỉnh đợi khoảng 2-3 phút cho nhiệt độ các cảm biến ổn định thì tiến hành ghi số liệu

3.4 SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM

E1 (vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt cùng chiều:

E1 (vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt ngược chiều:

E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt cùng chiều:

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ΔT nóng ΔT lạnh

1

2

3

4

5

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ΔT nóng ΔT lạnh 1

2

3

4

5

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ΔT nóng ΔT lạnh 1

2

3

4

5

E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt ngược chiều:

BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM:

Lập bảng tính theo form sau:

Lưu ý: Mỗi công thức dưới đây tính cho một lần test Không được tính trung bình các số liệu ở mỗi bảng

a Tính nhiệt trao đổi trong hệ thống và hiệu suất tổng tại các mức lưu lượng thể tích khác nhau:

Q nóng = FI1.ρ nóng.(cp) nóng.ΔT nóng

Q lạnh = FI2.ρ lạnh.(cp) lạnh.ΔT lạnh

Trong đó ρ và cp lấy theo nhiệt độ trung bình của nước vào và nước ra

η = (Q lạnh / Q nóng).100

b Tính hệ số truyền nhiệt ở trao đổi nhiệt cùng chiều và ngược chiều Nhận xét

𝒌 = 𝑸 𝒏ó𝒏𝒈

𝑨 ∆𝑻𝒍𝒏 Trong đó:

Diện tích bề mặt 𝐴 = 𝜋 𝑑𝑚.𝐿 L: chiều dài ống, dm = (dngoai + dtrong)/2

∆𝑻𝒍𝒏 =∆𝑻𝒊𝒏− ∆𝑻𝒐𝒖𝒕

𝒍𝒏 ∆𝑻𝒊𝒏

∆𝑻𝒐𝒖𝒕

c Xác định hệ số Re, đưa ra nhận xét

𝑹𝒆 =𝝎𝑳

𝝂

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ΔT nóng ΔT lạnh

1

2

3

4

5

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4 ΔT nóng ΔT lạnh Q nóng Q lạnh η ΔT ln k 𝝎 Re 1

2

3

4

5

L: kích thước tính toán (đối với ống tròn chọn là đường kính trong của ống)

ω: tốc độ trung bình của dòng chất lỏng, m/s

ν: độ nhớt động học

BÀI 4: XÁC ĐỊNH CÂN BẰNG NHIỆT TẠI THIẾT BỊ NGƯNG TỤ VÀ

BAY HƠI TRONG CHU TRÌNH MÁY LẠNH LÀM LẠNH NƯỚC

4.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA THÍ NGHIỆM

4.1.1 Mục đích thí nghiệm

- Giúp sinh viên có khả năng kết hợp các kiến thức giữa lý thuyết và thực hành

- Nắm được chu trình hoạt động cơ bản của thiết bị làm lạnh không khí có kết hợp một

số thiết bị phụ trong sơ đồ hoạt động

- Giúp sinh viên có thể đo đạc thông số nhiệt độ, áp suất để tính nhiệt lượng, hệ số làm lạnh thực tế của thiết bị

4.1.2 Yêu cầu thí nghiệm

- Sinh viên phải nắm được chu trình lạnh

- Biết ứng dụng các công thức trong sơ đồ lạnh

Để làm lạnh nước trong buồng lạnh, bài thí nghiệm này sử dụng một hệ thống lạnh với

tác nhân lạnh là R12 có sơ đồ nguyên lý như được mô tả ở hình 2 Máy nén (A) nén hơi R12 từ áp suất sôi p0 đến áp suất ngưng tụ pk Hơi R12 sau khi ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ giải nhiệt bằng không khí (B) được đi vào bình chứa cao áp (C) Sau đó lỏng R12

từ (C) đi qua van tiết lưu (I) để giảm áp suất từ pk đến p0 và đi vào thiết bị bay hơi làm lạnh nước dạng ống xoắn (K) Hơi R12 ra khỏi (K) ở áp suất p0 được hút vào (A) và các quá trình của chu trình được lặp lại

Hình 2

Chu trình máy lạnh được biểu diễn trên đồ thị logp-I và T – S gồm các quá trình như sau:

(Sinh viên tự vẽ hai đồ thị này trong bài báo cáo thí nghiệm)

1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt hơi trong máy nén

2-3: Quá trình ngưng tụ đẳng áp

3-4: Quá trình tiết lưu trong van tiết lưu

4-1: Quá trình bay hơi đẳng nhiệt và đẳng áp trong thiết bị bay hơi

Các vị trí đo nhiệt độ và áp suất trong chu trình máy lạnh

Các áp kế p1 và p2 dùng để đo áp suất p0 và pk sau van tiết lưu và sau đầu đẩy của máy nén (A)

Nhiệt độ của tác nhân lạnh R12 đi vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ (B) được đo bằng các sensor T1 và T2

Nhiệt độ của không khí giải nhiệt đi vào và đi ra khỏi thiết bị ngưng tụ (B) được đo bằng các sensor T3 và T4

Nhiệt độ của tác nhân lạnh R12 đi vào và ra khỏi thiết bị bay hơi (J) được đo bằng các sensor T7 và T9

Nhiệt độ nước trong buồng lạnh được đo bằng T8

5.3 NHIỆM VỤ THÍ NGHIỆM

Trong bài thí nghiệm này sinh viên có nhiệm vụ phải thu thập các số liệu về áp suất pk,

p0, nhiệt độ của tác nhân lạnh khi vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ, nhiệt độ của tác nhân lạnh khi vào và ra khỏi thiết bị bay hơi, nhiệt độ của không khí giải nhiệt khi vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ và nhiệt độ của nước khi vào và ra khỏi thiết bị bay hơi Sau đó kết hợp với kết quả tính toán để xác định:

- Lượng không khí cần thiết để giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ Gkk

- Phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ Qk

- Cân bằng nhiệt tại thiết bị ngưng tụ

- Lượng không khí cần thiết để giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ G0

- Phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ Q0

- Cân bằng nhiệt tại thiết bị bay hơi

5.4 SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM

- Đo thời gian bắt đầu khởi động hệ thống làm lạnh nước cho đến khi kết thúc thí nghiệm

Sau khi thiết bị đã hoạt động ổn định, sinh viên thực hiện việc ghi chép các số liệu của không khí và tác nhân lạnh vào bảng 1 và 2

Nhiệt độ nước trong buồng lạnh

T8

Nhiệt độ không khí bên ngoài buồng lạnh Ta = T3

Bảng 2- Các số liệu đo của tác nhân lạnh trong chu trình

Bảng 3- Các thông số của R12 trong chu trình máy lạnh

a Xác định các thông số trạng thái của tác nhân lạnh

Từ các thông số áp suất trong bảng 2, dựa vào các bảng tra “Các tính chất nhiệt động của R12 ở trạng thái bão hòa” và “Các tính chất nhiệt động của R12 ở trạng thái quá nhiệt” sinh viên xác định các thông số của R12 tại các điểm trong chu trình máy lạnh

và viết vào bảng 3

b Tính phụ tải của buồng lạnh:

Phụ tải của buồng lạnh trong trường hợp này chính là lượng nhiệt từ môi trường bên ngoài truyền vào qua các vách buồng lạnh do sự chênh lệch nhiệt độ

2 n

1

i ii 1

8 3

1 1

T T q

i - Bề dày của lớp thứ i, m

i - Hệ số dẫn nhiệt của lớp vách thứ i (tra theo bảng 5), W/mK

1 - Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của không khí bên ngoài buồng lạnh, W/m2K

Chọn 1 = 6 W/m2K