I. MỤC ĐÍCH Làm quen với thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt giữa hai dòng lạnh, nóng ngăn cách bởi vách ngăn kim loại ở chế độ chảy khác nhau Thiết lập cân bằng nhiệt lượng. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Quá trình truyền nhiệt trong thiết bị dạng ống lồng ống là một ví dụ của sự truyền nhiệt phức tạp. Ở đây diễn ra sự trao đổi nhiệt giữa hai lưu chất được ngăn cách bởi vách ngăn kim loại, bao gồm truyền nhiệt đối lưu từ dòng nóng đến vách, dẫn nhiệt qua thành ống kim loại và đối lưu nhiệt giữa dòng lạnh với ống.
TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG I MỤC ĐÍCH - Làm quen với thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống - Xác định hệ số truyền nhiệt trình truyền nhiệt hai dòng lạnh, nóng ngăn cách vách ngăn kim loại chế độ chảy khác - Thiết lập cân nhiệt lượng II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Quá trình truyền nhiệt thiết bị dạng ống lồng ống ví dụ truyền nhiệt phức tạp Ở diễn 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 ống Phương trình cân nhiệt lượng cho hai dòng lưu chất Q = G1C1(tV1-tR1) = G2C2(tR2-tV2), W (1) Trong đó: G1, G2: Lưu lượng dòng nóng lạnh, kg/s C1, C2: Nhiệt dung riêng trung bình dòng nóng dòng lạnh, J/kg.K tV1, tR1: Nhiệt độ vào dòng nóng, °C tV2, tR2: Nhiệt độ vào dòng lạnh, °C Phương trình biểu diễn trình truyền nhiệt Q = K1.Δtlog.L, W L: Chiều dài ống, m K1: Hệ số truyền nhiệt dài,W/m °C Δtlog: Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit, °C Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit (2) t lon t nho t ln lon t nho Δtlog = (3) Trong đó: Δtlon: Hệ số nhiệt độ dòng nóng dòng lạnh đầu vào có giá trị lớn Δtnho: Hệ số nhiệt độ dòng nóng dòng lạnh đầu vào có giá trị bé Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết, K1* tính 1m chiều dài ống K1* = d ng r 1 ln cau 1 d tr 2 d tr d ng d ca Trong đó: dng, dtr : đường kính ngồi ống truyền nhiệt, m λ : hệ số dẫn nhiệt ống, W/m °C α1, α2 : hệ số cấp nhiệt, W/m °C rcau : nhiệt trở lớp cáu, m2.s0.C/J dcau : đường kính lớp cáu, m Hệ số cấp nhiệt α1, α2 vách ngăn dòng lưu chất Nu =A.Re m Pr Pr Prt n , 25 1 R (5) Các hệ số A, m, n, ε1, εR hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào yếu tố sau: Các chế độ chảy dòng lưu chất Sự tương quan giữu dòng chảy bề mặt truyền nhiệt Đặc trưng bề mặt truyền nhiệt ( độ nhám, hình dạng, …) III THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Hệ thống thiết bị thí nghiệm có hai kiểu kết cấu bề mặt truyền nhiệt sau: Kiểu A: Loại ống lồng ống mà lưu chất chảy ngang mặt ống Hai dòng chảy có phương vng góc với Kiểu B (B1, B2): Loại ống lồng ống đơn giản, lưu chất chảy dọc bề mặt ống Hai dòng chảy có phương song song với Kích thước ống: Kiểu ống A B Đường kính (mm) Ống Ống ngồi 17/21 30/24 17/21 30/24 Chiều dài (mm) 1020 1020 Sơ đồ hệ thống thiết bị (xem hình): Chú thích: → : Ký hiệu dòng nóng vào −> : Ký hiệu dòng lạnh vào A : Bộ trao đổi nhiệt dạng dòng chảy vng góc B1 : Bộ trao đổi nhiệt dạng dòng chảy song song ngược chiều B2 : Bộ trao đổi nhiệt dạng dòng chảy song song chiều 1A, 1B, 1C : Lần lượt van cấp nước tổng, van cấp nước cho dòng lạnh, van cấp nước cho bồn gia nhiệt 2, : Van chỉnh lưu lượng dòng nóng 4, 5, : Van đóng mở dòng nóng vào trao đổi nhiệt : Van chỉnh lưu lượng dòng lạnh 8, 9, 10 : Van đóng mở dòng lạnh vào trao đổi nhiệt 11 : Van xả đáy bồn IV PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Sau chuẩn bị làm quen với thiết bị ta đo đại lượng: lưu lượng dòng nóng dòng lạnh, nhiệt độ vào dòng tV , t R1 , tV , t R Trình tự thí nghiệm: Lưu ý : Các van 1A, 1B mở mở 30° - 45° Khi mở đóng van sinh viên phải xoay thật từ từ, tuyệt đối không đóng mở đột ngột Trước thí nghiệm tất van vị trí đóng o Mở van 1A thật từ từ (chỉ xoay góc khoảng 30°) o Đóng van 11 Từ từ mở van 1C cho nước vào đầy bồn chứa, sau khóa van đậy nắp bồn chứa lại o Mở cầu dao nguồn, bật công tắc GUỒN hộp điều khiển lên o Bật công tắc GIA NHIỆT lên Đèn hoạt động màu đỏ sang Cụm gia nhiệt hoạt động o Sau nước bồn gia nhiệt sôi ( khoảng từ 30-60 phút), cơng tắc gia nhiệt tự động ngắt, lúc bắt đầu làm thí nghiệm o Mở van 3, bấm nút chạy BƠM (màu xanh), đèn hoạt động bơm (màu đỏ) sáng Mơm ly tâm hoạt động bơm nước tuần hoàn o Chờ cho hệ thống ổn định, mở cặp van tương ứng: 4/8, 5/9, 6/10 Điều chỉnh cặp van 2, để điều chỉnh lưu lượng dòng nóng chỉnh van để điều chỉnh lưu lượng dòng lạnh theo yêu cầu Chỉ số lưu lượng đọc lưu lượng kế o Chờ khoảng 5-10 phút, trình ổn định, ấn giữ nút (màu vàng) cần thiết bốn nút hộp điều khiển để có nhiệt độ vị trí tương ứng o Sau đo xong tất thông số cần thiết, tắt công tắc GIA NHIỆT, tắt BƠM, tắt công tắc nguồn CB Mở nắp bồn gia nhiệt cho nước nguội bớt Khóa tất van lại Đợi nước nguội mở van 11 để xả bồn chứa gia nhiệt V Kết thí nghiệm: Bộ trao đổi nhiệt A: Lần Lưu lượng 8 Nóng ◦ Lạnh ◦ tv 62.8 69.7 76.8 83.2 83.7 83.5 83 83.1 83.2 ◦ tr 60.2 62.2 64.9 73.5 75 75.8 75 74 74.7 t◦ r 36 35.5 35.5 39.3 38.3 37.4 37.2 37.5 37.5 tv 29.7 29.8 29.9 30.3 30.3 30.3 30.2 30.3 30.1 Ta có bảng giá trị trung bình trao đổi nhiệt A: G1 G2 Nóng ◦ 8 tv 76.33 78.83 81.166 Lạnh ◦ tr 69,56 70.4 71.8 Bộ trao đổi nhiệt B1: ngược chiều Lần Lưu Nóng ◦ lượng tv t◦ r 86.7 72.5 82.2 72.9 83.9 75.5 83.1 74.5 83.2 74.5 83.1 75.1 83.1 75 83 74.7 83 75.5 ◦ tv 30.06 30.13 30.1 t◦ r 37.5 37 36.8 Lạnh ◦ tv 30.1 30.3 30.2 30.3 30.3 30.4 30.3 30.1 30.2 t◦ r 38.9 38.1 37.6 39.7 35.5 38 37.7 35.4 37.5 Ta có bảng giá trị trung bình lần đo trao đổi nhiệt B1: G1 G2 Nóng Lạnh ◦ 8 ◦ tv 84.3 82.8 83.33 tr 74 74.03 75.36 Bộ trao đổi nhiệt B2: chiều Lần Lưu Nóng ◦ lượng tv 83 83.7 83.7 82.7 83 83.1 83 83 83.2 ◦ t◦ r 38.76 36.33 37.7 tv 30.23 30.23 30.266 Lạnh ◦ ◦ tr 74.6 75.5 76.1 74 75 75.4 74.1 75 75.5 t◦ r 38.9 38 37.6 38.6 38.4 37.7 30.8 37.5 38 tv 30.2 30.3 30.3 30.4 30.4 30.4 30.3 30.5 30.1 Ta có bảng giá trị trung bình lần đo trao đổi nhiệt B2: G1 G2 Nóng ◦ VI tv 82.9 82.23 83.33 Lạnh ◦ tr 74.23 75.16 75.66 Tính toán: Nhiệt lượng Q Q = G1C1(tV1-tR1) = G2C2(tR2-tV2), W ◦ tv 30.3 30.4 30.26 t◦ r 36.1 37.96 37.76 Đối với dòng nóng thiết bị A, B1 B2: Thiết bị G1 tv1 tv2 Cp Q1 (w) (j/kg.ño ä) A B1 B2 8 76.33 78.83 81.166 84.3 82.8 83.33 82.9 82.23 83.33 69,56 70.4 71.8 74 74.03 75.36 74.23 75.16 75.66 4203.4 4203.5 4203.5 4203.5 4203.5 4203.5 4203.5 4203.5 4203.5 113828 212613 103103 173184 221188 268015 145777 178312 257926 Đối với dòng lạnh thiết bị A, B1 B2: Thiết bị G2 tr1 tr2 Cp Q2 (w) (j/kg.ño ä) A B1 B2 8 30.06 30.13 30.1 30.23 30.23 30.266 30.3 30.4 30.26 37.5 37 36.8 38.76 36.33 37.7 36.1 37.96 37.76 4178.4 4178.4 4178.4 4178.4 4178.4 4178.4 4178.4 4178.4 4178.4 124349 167971 223962 142567 152929 248497 96939 189532 250704 Ta có tổn thất nhiệt: Q1 (w) Q2 (w) Thiết bị A 113828 212613 103103 173184 124349 167971 223962 142567 ∆Q ( W) | Q2 - Q1 | 10521 44642 120859 30617 B1 221188 268015 145777 178312 257926 B2 152929 248497 96939 189532 250704 68259 19518 48838 11220 7222 Tính tlog, K t◦r1 t◦v1 Thiết bị A B1 B2 t◦v2 76.33 78.83 81.166 84.3 82.8 83.33 82.9 82.23 83.33 Δtlog = 69,56 70.4 71.8 74 74.03 75.36 74.23 75.16 75.66 30.06 30.13 30.1 30.23 30.23 30.266 30.3 30.4 30.26 t◦r2 37.5 37 36.8 38.76 36.33 37.7 36.1 37.96 37.76 tlog K1 41.597 41.045 43.019 43.985 44,723 44.922 45.349 44.514 33.597 1825.08 3423.03 1597.79 2624.89 3297.15 3977.48 2143.03 2670.5 5118.03 t lon t nho t ln lon t nho Q = K1.Δtlog.L, W từ => K với L= 1020 mm Tính hệ số cấp nhiệt α1 α2 a Tính chế độ chảy lưu chất chuẩn số Re: .l Re Ta có bảng số liệu: t1tb Thiết o ( C) bị 76.33 t2tb o ( C) 1.103 (Ns/m2) 2.103 (Ns/m2) 1 (w/mK) 2 (w/mK) 30.06 0.3574 0.7089 0.672 0.613 A 78.83 81.16 84.3 82.8 83.33 B1 82.9 82.23 83.33 B2 30.13 30.1 30.23 30.23 30.26 30.3 30.4 30.26 0.3543 0.3609 0.7016 0.675 0.628 0.3609 0.3436 0.6947 0.6685 0.7085 0.677 0.677 0.676 0.629 0.632 0.627 0.3416 0.3436 0.3521 0.3416 0.7016 0.7085 0.6814 0.7016 0.677 0.676 0.675 0.677 0.628 0.627 0.631 0.628 Bảng Re Thiết bị A B1 B2 1.103 (Ns/m2) 0.3574 0.3543 0.3609 0.3609 0.3436 0.3416 0.3436 0.3521 0.3416 d1(m) w1 Re1 0.017 0.017 0.017 0.017 0.017 0.017 0.017 0.017 0.017 299.5 449.4 599.1 299.5 449.4 599.1 299.5 449.4 599.1 56.98 86.19 112.88 56.43 88.88 119.26 59.27 86.73 119.26 2.103 (Ns/m2) d2(m) w2 Re2 0.7089 0.7016 0.6947 0.6685 0.7085 0.7016 0.7085 0.6814 0.7016 0.017 0.017 0.017 0.017 0.017 0.017 0.017 0.017 0.017 299.5 449.4 599.1 299.5 449.4 599.1 299.5 449.4 599.1 28.73 43.53 58.64 30.46 43.10 58.06 28.74 44.82 58.06 Với l = dtd=4d=0.068 m b Xác định chuẩn số Nu cho phương chảy ngang kiểu A: Do : < Re < 103 Nên : 0,25 �Pr � Nu 0, Re 0,5 Pr 0,38 � � Prt � � Pr v a Với : ν : hệ số nhớt động học lưu chất, m2/s α : hệ số dẫn nhiệt lưu chất, m2/s t◦r1 t◦v1 Thiết bị A B1 B2 t◦v2 76.33 78.83 81.166 84.3 82.8 83.33 82.9 82.23 83.33 69,56 70.4 71.8 74 74.03 75.36 74.23 75.16 75.66 t◦r2 30.06 30.13 30.1 30.23 30.23 30.266 30.3 30.4 30.26 37.5 37 36.8 38.76 36.33 37.7 36.1 37.96 37.76 Nu Re2 α1 α2 57.82 57.89 58.11 58.25 58.17 58.21 58.20 58.20 58.21 53.1 53.1 53.1 53.1 53.1 53.1 53.1 53.1 53.1 Ta có bảng giá trị: Thiết bị A Thiết bị B1 B2 Re1 Pr1 Prt1 Pr2 Prt2 56.98 1.88 5.400 3.68 28.73 4.050 5.400 86.19 1.88 5.400 4.53 43.53 4.450 5.400 112.88 1.89 5.400 5.20 58.64 4.700 5.400 c Xác định chuẩn số Nu cho phương thức chảy dọc theo than ống kiểu B Re1 56.43 88.88 119.26 59.27 86.73 119.26 Pr1 1.92 1.9 1.9 1.91 1.93 1.9 Prt1 Nu Re2 5.400 5.400 5.400 5.400 5.400 5.400 3.72 4.63 5.36 3.79 4.62 5.36 30.46 43.10 58.06 28.74 44.82 58.06 Pr2 4.930 4.400 4.500 4.700 4.850 4.400 Nu 4.24 5.54 6.66 Prt2 Nu 5.400 5.400 5.400 5.400 5.400 5.400 4.94 5.47 6.45 4.66 5.94 5.47 t◦r1 Thiết bị t◦v1 76.33 78.83 81.166 84.3 82.8 83.33 82.9 82.23 83.33 A B1 B2 t◦v2 t◦r2 69,56 70.4 71.8 74 74.03 75.36 74.23 75.16 75.66 30.06 30.13 30.1 30.23 30.23 30.266 30.3 30.4 30.26 37.5 37 36.8 38.76 36.33 37.7 36.1 37.96 37.76 ∆t2* Pr1 Prt1 29.62 35.66 33.98 22.02 34.62 32.59 30.88 30.77 30.21 2.53 2.28 2.38 2.73 2.17 2.32 2.46 2.59 2.1 2.6 2.35 2.44 2.79 2.26 2.48 2.52 2.66 2.2 ∆t2 38.83 41.83 44.366 45,54 46.47 45.63 52.6 51.83 53.07 39.5 40.27 41.69 43.77 43.8 45.094 38.13 37.2 37.9 α1 α2 Nu1 Nu2 5.397 5.333 7.401 7.278 7.157 7.064 8.339 7.797 8.032 6.101 6.903 3.456 5.232 6.196 6.971 3.479 5.285 6.213 0.0108 0.0107 0.0148 0.0145 0.0143 0.0141 0.0166 0.0155 0.0160 0.0150 0.0170 0.0084 0.0129 0.0152 0.0172 0.0085 0.0129 0.0156 Tính sai số: Thiết bị 15.77 6.72 10 19.73 7.85 10.9 8.07 10.23 12.26 A B1 B2 Hệ số truyền dài lý thuyết : K1* = d ng r 1 ln cau 1d tr 2 d tr d ng d ca Thiết bị A B1 B2 dn dtr α1 α2 Kl* 34 34 34 34 34 34 34 34 34 21 21 21 21 21 21 21 21 21 57.82 57.89 58.11 58.25 58.17 58.21 58.20 58.20 58.21 53.1 53.1 53.1 53.1 53.1 53.1 53.1 53.1 53.1 3.653 3.635 3.662 3.667 3.669 3.666 3.665 3.665 3.666 Lâp bảng tính K1* K1 theo Re Thiết bị A B1 Re Kl* K1 56.98 86.19 112.88 56.43 88.88 119.26 59.27 3653 3635 3662 3667 3669 3666 3665 1825.08 3423.03 1597.79 2624.89 3297.15 3977.48 2143.03 B2 86.73 119.26 Vẽ đồ thị K1* K1 theo Re Theo hệ thống A: Đối với hệ thống B1: 3665 3666 2670.5 5118.03 Đối với hệ thống B2: VII Bàn luận: Tổn thất nhiệt có đáng kể khơng 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 vị trí dòng nóng chảy khơng có dòng lạnh bao quanh có tổn thất q trình truyền nhiệt từ dòng nóng qua ống đến mơi trường xung quanh khơng có 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 bị rò rỉ sau thời gian sử dụng Sai số đọc nhiệt độ q trình thí nghiệm làm kết tính tốn khơng 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 khơng đáng kể Vì có truyền nhiệt nhiệt độ dòng lạnh tăng không đáng kể nên chênh lệch nhiệt độ với ống khơng đáng kể bỏ qua Mức độ sai số, nguyên nhân gây sai số lúc làm thí nghiệm? biện pháp khắc phục: a Ngun nhân gây sai số q trình thí nghiệm: Sai số xác định lưu lượng dòng nóng lạnh: lưu lượng dòng nóng dòng lạnh dù điều chỉnh không đạt trạng thái ổn định tuyệt đối, có lẫn nhiều bọt khí Sai số trình đọc nhiệt độ: đọc nhiệt độ khơng thời điểm (chưa có cân nhiệt lượng), nhiệt độ không ổn định Bơm lưu chất hoạt động không ổn định (do điện không ổn định) Sai số rò rỉ lưu lượng chất lỏng hệ thống ống: vị trí ống nối, van khơng kín chảy nước làm giảm lưu lượng Sai số ống khơng bọc lớp cách nhiệt gây thất 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 khơng hợp với ống góc 45 0, dòng chảy khơng đổi hướng hồn tồn, phần dòng nóng hòa trộn với dòng lạnh gay tổn thất nhiệt Sai số nước thí nghiệm khơng nước tinh khiết thơng số dùng tính toán nước tinh khiết Sai số hệ thống dụng cụ đo khơng 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 q trình tính tốn Từ nhiệt độ đọc ta suy tlog Do có sai số dẫn đến Kl, Q sai do: Q Kl = t L log Q = G.C.t Nhiệt độ đọc sai > tra hệ số sai > tính sai > sai hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết Kl* Đồng thời tra khối lượng riêng khơng 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 khơng rò rỉ ngồi Có thể tiến hành thử nhiều lần cho thục trước thí nghiệm thức Để đồng hồ đo nhiệt độ, lưu lượng kế ổn định đọc, đọc xác số liệu cách đọc giá trị trung bình đồng hồ đo Nước dùng q trình thí nghiệm tốt Kiểm tra vị trí van trước làm thí nghiệm Thường xuyên vệ sinh đường ống Tiến hành thí nghiệm lặp lại nhiều lần đề tìm giá trị xác với sai số nhỏ So sánh hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm K l với hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết Kl*: Ở Kl Kl* không giống Nguyên nhân: K l* Bỏ qua giá trị d ng r 1 ln b d tr 2 d tr d ng d b rb : không xác định bề dày lớp cáu db (bẩn) ảnh hưởng trình truyền nhiệt (bỏ rb qua d K lớn) b Xác định hệ số dẫn nhiệt λ cho ống đồng đỏ nguyên chất thực tế nguyên liệu làm ống dẫn không nguyên chất Các giá trị α xác định mắc phải sai số tính tốn nhiệt độ vách, nhiệt độ lưu chất để xác định chuẩn số Nu, Pr Nhiệt lượng tổn thất chưa bù sai số q trình làm thí nghiệm Ở q trình truyền nhiệt phức tạp tính tốn kể đến ảnh hưởng chẳng hạn bỏ qua đối lưu tự nhiên dòng chảy màng ống B dẫn đến sai số cao ... mặt truyền nhiệt Đặc trưng bề mặt truyền nhiệt ( độ nhám, hình dạng, …) III THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Hệ thống thiết bị thí nghiệm có hai kiểu kết cấu bề mặt truyền nhiệt sau: Kiểu A: Loại ống lồng. .. đường kính ngồi ống truyền nhiệt, m λ : hệ số dẫn nhiệt ống, W/m °C α1, α2 : hệ số cấp nhiệt, W/m °C rcau : nhiệt trở lớp cáu, m2.s0.C/J dcau : đường kính lớp cáu, m Hệ số cấp nhiệt α1, α2 vách... lưu lượng chất lỏng hệ thống ống: vị trí ống nối, van khơng kín chảy nước làm giảm lưu lượng Sai số ống không bọc lớp cách nhiệt gây thất thoát nhiệt trao đổi nhiệt ống với mơi trường bên ngồi