QUÁ TRÌNH ĐỐI LƯU NHIỆT

3 Khảo sát thực nghiệm hệ số cấp nhiệt ở dòng lưu chất không có biến đổi pha vàdòng lưu chất có biến đổi pha với chế độ ngưng tụ chảy màng trong hai trườnghợp: đối lưu tự nhiên và đối lư

QUÁ TRÌNH ĐỐI LƯU NHIỆT

1. TRÍCH YẾU :

1) Giúp sinh viên củng cố kiến thức về sự truyền nhiệt đối lưu

2) Giúp sinh viên làm quen với cấu tạo, nguyên lý hoạt động của thiết bị vàphương pháp thí nghiệm về sự trao đổi nhiệt đối lưu

3) Khảo sát thực nghiệm hệ số cấp nhiệt ở dòng lưu chất không có biến đổi pha vàdòng lưu chất có biến đổi pha với chế độ ngưng tụ chảy màng trong hai trườnghợp: đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức

4) So sánh hệ số cấp nhiệt và hệ số truyền nhiệt lý thuyết với hệ số cấp nhiệt vàtruyền nhiệt thực nghiệm

5) Thiết lập cân bằng nhiệt lượng trong quá trình trao đổi nhiệt đối lưu

Chuẩn bị dụng cụ và điều kiện thí nghiệm → chuẩn bị cấp nước lạnh → chuẩn bịcấp hơi nước → khi quá trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định thì tiến hành đo đồngloạt các đại lượng → ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác (tiến hành 5thí nghiệm ứng với 5 vị trí tấm chảy tràn) → kết thúc thí nghiệm

10 Thời gian đo lượng nước ngưng (s) 60 60 60 60 60

tụ trên bề mặt ống đứng) và trao đổi nhiệt đối lưu ở dòng lưu chất không có biến đổipha (dòng nước lạnh chảy trong ống) Bỏ qua nhiệt trở thành ống

Sự ngưng tụ hơi nước ở thiết bị thí nghiệm được xem như sự ngưng tụ với màngchảy xếp lớp (chảy màng)

tr d

F tr F ng

N t

ng

C α=

α tr

V

δ δ C ng d

Hình 1: Sơ đồ cơ chế truyền nhiệt đối lưu

Dịng nước lạnh chảy trong ống đứng (gọi tắt làdịng lạnh) được thực hiện với 2 chế độ chảy: chuyển động tự nhiên và chuyển độngcưỡng bức

Sơ đồ cơ chế truyền nhiệt đối lưu được biểu diễn ở hình 1

δV, δC : bề dày thành ống và bề dày màng nước ngưng tụ, m

dtr, dng : đường kính trong và ngồi ống, m

Ftr, Fng : diện tích bề mặt bên trong và bên ngồi ống đứng cĩ chiều cao H, m2

ts : nhiệt độ hơi nước bão hịa, oC

tN: nhiệt độ trung bình của nước trong ống, oC

tVtr, tVng:nhiệt độ trung bình của vách trong và vách ngồi ống, oC

αC = αng:hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ (phía lưu chất bên ngồi), W/m2.K

αN = αtr:hệ số cấp nhiệt phía nước lạnh (phía lưu chất trong ống), W/m2.K

q: mật độ dịng nhiệt truyền qua vách, W/m2

Nhiệt lượng dịng nước lạnh nhận được:

Nhiệt lượng tỏa ra khi hơi nước ngưng tụ:

• GN, GC : lưu lượng khối của dòng nước trong ống và dòng nước ngưng tụ, kg/s

• t1, t3 : nhiệt độ đầu và cuối của dòng nước chảy trong ống, oC

• tS : nhiệt độ hơi nước bão hòa ngưng tụ ở áp suất thí nghiệm, oC

• tC : nhiệt độ trung bình của nước ngưng tụ, oC

2

'tt

• r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở nhiệt độ tS, J/kg

Sự cân bằng nhiệt cũng có thể được thực hiện bằng phương trình truyền nhiệt đốilưu ở chế độ ổn định và không có tổn thất nhiệt:

tr N Vtr

1 tr

F)tt

'Q

−

=α

⇒

Q’2 = qngFng = αng(tS - tVng)Fng, W

ng Vng S

2 ng

F)tt

'Q

−

=α

Trong trường hợp nhiệt trở của vách truyền nhiệt không đáng kể (ống đồng có hệ

số dẫn nhiệt lớn: λV = 1272 W/mK và thành ống mỏng), ta có:

2

ttt

Vng Vtr

: nhiệt độ trung bình tại vách trong và vách ngoài ống truyền nhiệt, oC

• t2, t4 : nhiệt độ tại thành ngoài ở đầu vào (đầu dưới) và đầu ra (đầu trên) củaống, oC

2.2. Hệ số truyền nhiệt tổng quát:

log

tr tF

QK

)ttln

)tt)ttlogt

1 S

3 S

1 S 3 S

2.3. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (hệ số cấp nhiệt) phía dòng nước lạnh chảy

trong ống (αN hay αtr )

Hệ số cấp nhiệt αN (hay αtr) được xác định tùy thuộc vào dạng trao đổi nhiệt (đốilưu tự nhiên hay đối lưu cưỡng bức) và chế độ chảy của dòng lưu chất: chảy xếp lớp(chảy màng), chảy rối hay chế độ chuyển tiếp

Dòng lưu chất đối lưu tự nhiên hay cưỡng bức có thể phân biệt dựa theo giá trị của

Re

Gr

≤ 10-2

5 , 2

Re

Gr

≥ 10-2

5 , 2

Re Gr

Ở đây: = ν = π trρν

N tr

d

G4wdRe

(11)Với:

• w : vận tốc dòng, m/s

• ν : độ nhớt động học của lưu chất, m2/s

• ρ : khối lượng riêng của lưu chất, kg/m3

2.3.1. Trường hợp đối lưu tự nhiên:

Hệ số cấp nhiệt αN (hay αtr) ở trường hợp đối lưu tự nhiên được xác định từ chuẩn

số Nusselt (Nu):

10-2

10-3

Dòng lưu chất đốilưu tự nhiên

Vùng hỗn hợp 2dòng đối lưuDòng lưu chất đối

lưu cưỡng bức

tr

Pr Gr

1 d

H 16 exp 1 H

d 32

Pr Gr Nu

(12)Trong đĩ:

)bảngtra

(aPr

tt

t

tgdGr

dd

Nu

N Vtr 2

3 tr

tr N tr

=

λ

α

=λ

α

=

Các thơng số vật lý của nước được xác định ở nhiệt độ trung bình: 2

tt

2.3.2. Trường hợp đối lưu cưỡng bức:

* Ở chế độ chảy màng (Re < 2300) với Re.Pr. H

dtr

>10 :

14 , 0

Vtr

3 / 1

H

dtr Pr Re 86 , 1 Nu







 µ

được xác định ở nhiệt độ trung bình của vách trong tVtr

* Ở chế độ chuyển tiếp (2300 < Re < 10000) với 0,7 < Pr < 120 và H

dtr

> 50 :

Nếu bỏ qua ảnh hưởng của lực nâng với dòng chảy ta có thể áp dụng công thức củaMikhaev để tính Nu*:

(Re) f Pr

Pr Pr

Nu

Vtr

43 , 0

2.4. Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ:

Hệ số cấp nhiệt trong trường hợp ngưng tụ hơi tinh khiết bão hòa được xác định tùythuộc vào chế độ chảy của dòng lỏng ngưng tụ

Các trường hợp chất ngưng tụ chảy màng, hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi tinhkhiết trên bề mặt ống đứng được xác định theo công thức lý thuyết của Nusselt (xáclập bằng phương pháp giải tích):

25 , 0

m C

3 C

2 C S

gr943,0

λρ

=α

t

S Vng S

, K

Các thông số vật lý được xác định ở nhiệt độ trung bình 2

tt

được xác định ở nhiệt độ tS đối với hơi nước bão hòa

Công thức (16) có thể biến đổi về phương trình tiêu chuẩn đồng dạng sau:

25 , 0

m

Vng S PC S

PC C C

C 2

C

3

C

C C

) t t C

r

C

.

gH 943 , 0

H Nu

λνν

= λ α

=

=

25 , 0 m o 25

, 0 m C

C Pr K ) 0 , 943 ( K ) Ga

( 943 ,

r

Vng S PC

S

−

là chuẩn số đồng dạng của Kutalelagze

Trường hợp nước ngưng tụ chảy màng không phụ thuộc vào vận tốc (tức khôngphụ thuộc vào Re), hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ chảy màng có thể xác định

từ chuẩn số Nu theo công thức thực nghiệm sau đây:

25 , 0

Vng

S 28 , 0 S o

25 , 0

Vng

S 28 , 0 S

µ

=

(18)Khác với công thức (16) ở đây các thông số vật lý được xác định ở nhiệt độ tS

Riêng PrVng xác định ở nhiệt độ trung bình của vách ngoài 2

tt

a) Chuẩn bị dụng cụ và điều kiện thí nghiệm :

6) Chuẩn bị ống nghiệm đo nước ngưng tụ

7) Chuẩn bị ống nghiệm đo lượng nước chảy trong ống

8) Chuẩn bị nhiệt kế đo nhiệt độ nước ngưng tụ chảy ra

9) Chuẩn bị một đồng hồ bấm giây để đo thời gian nước chảy trong ống và thờigian nước ngưng tụ chảy ra

10) Kiểm tra nguồn điện, nguồn nước và các dụng cụ đo trên thiết bị thí nghiệm

b) Chuẩn bị cấp nước lạnh :

1) Khóa các van V1, V4, S1 và mở các van V2 và V5

2) Điều chỉnh tấm chảy tràn ở vị trí mong muốn theo yêu cầu của bài thí nghiệm

3) Mở van V1 và điều chỉnh để giữ mực nước ổn định ở bình chảy tràn

c) Chuẩn bị cấp hơi nước :

1) Điều chỉnh dòng nước lạnh chảy trong ống theo yêu cầu của bài thí nghiệm

2) Khi áp suất trong nồi đun đạt 15PSI, mở hoàn toàn van V7 và mở từ từ van V6

và điều chỉnh để áp suất hơi đi vào buồng thí nghiệm khoảng 10PSI Van V6

phải mở để đủ hơi ngưng tụ trên bề mặt ống truyền nhiệt và áp suất trongbuồng thí nghiệm xấp xỉ bằng với áp suất khí quyển

3) Khi quá trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định, tiến hành đo đồng loạt các đạilượng:

- Lượng nước ngưng tụ trong một khoảng thời gian nhất định và nhiệt độ củanước ngưng tụ

- Lượng nước chảy trong ống trong ống trong ống trong một khoảng thời giannhất định

- Nhiệt độ t1, t2, t3, t4 (đồng hồ hiện số)

- Ap suất trong nồi hơi (áp kế P2)

- Nhiệt độ của hơi trong nồi hơi (đồng hồ đo nhiệt độ T2)

- Ap suất hơi đo bằng đồng hồ đo áp suất P3

- Nhiệt độ hơi đi vào buồng ngưng tụ đo bằng đồng hồ đo nhiệt độ T3

* Trong khi đo thường xuyên quan sát mức nước trong bình chảy tràn và mứcnước trong nồi hơi

3.2.3. Ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác:

1) Sau khi đo xong, ngắt điện cấp cbo nồi hơi, đóng các van V6, V7, mở van xả hơi

S5 Nạp nước vào bình chứa Mở van V8 cấp nước cho nồi hơi rồi khóa van V8

lại, khóa van xả hơi S5

2) Khóa van V1, mở vòi xả S4 để xả hết nước nóng rồi khóa vòi S4 lại

3) Chuyển vị trí tấm chảy tràn theo yêu cầu của bài thí nghiệm tiếp theo và lặp lạiquy trình thao tác như ở thí nghiệm trước

4) Các thí nghiệm được tiến hành với các vị trí ống chảy tràn như sau:

- Vị trí “0”: đối lưu tự nhiên

- Vị trí “½, ¾,1, 1 ½”: đối lưu cưỡng bức

3.2.4. Kết thúc thí nghiệm:

Trình tự thao tác khi kết thúc thí nghiệm:

1) Ngắt cầu dao điện cho nồi hơi

2) Ngắt điện cho đồng hồ đo nhiệt độ hiện số

3) Khóa van nguồn nước

4) Khóa và mở các van đúng như hiện trạng trước khi làm thí nghiệm

4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM :

Bảng 3:

Các đại lượng đo 0 Vị trí tấm chảy tràn (inch) ½ ¾ 1 1½

Đồ thị 1: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI QUAN HỆ CỦA NuN THEO Re

Đồ thị 2: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI QUAN HỆ CỦA Ktt THEO Re

Đồ thị 5: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH GIỮA KTN VÀ KTT

5. BÀN LUẬN :

Câu 1: Giải thích tại sao khi thí nghiệm với tấm chảy tràn ở mức “0” mà nước

trong ống vẫn chảy ra.

Mức “0, ¼, ½, ¾, 1, 1 ¼,1 ½” là khoảng cách tính theo inch của mực nước trongbình chảy tràn so với vị trí cao nhất trong ống dẫn nước lạnh trong bình trao đổi nhiệt.Trước khi thí nghiệm, nếu tấm chảy tràn để ở vị trí “0” và cấp đủ nước cho bìnhchảy tràn thì nước không chảy trong ống đứng và thoát ra ngoài vì lúc đó mực nướctrong bình chảy tràn bằng với vị trí cao nhất trong ống ⇒ ∆P = 0 ⇒ nước không thểchảy do không có sự chênh lệch về áp suất

Khi tiến hành thí nghiêm với tấm chảy tràn ở vị trí “0” thì nước trong ống đứng cóchảy ra vì khi đó ta dùng hơi nước để cấp nhiệt làm cho dòng lạnh bị nóng lên khi đivào buồng thí nghiệm→ có sự đối lưu nhiệt tự nhiên Đó chính là hiện tượng chuyểnđộng của lưu chất khi có sự chênh lệch về mật độ (khối lượng riêng) giữa các vùng cónhiệt độ khác nhau

Ta nhận thấy rằng khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì mức độ tổn thất nhiệt càngtăng Và mức độ tổn thất nhiệt đạt giá trị cao nhất ∆Q = 96,8813% khi tấm chảy tràn ở

vị trí “1½” Đây là một mức độ tổn thất rất lớn, làm tiêu hao nhiều năng lượng của quátrình

Khi tấm chảy tràn ở vị trí “0” (xảy ra hiện tượng đối lưu tự nhiên) thì ∆Q =-9,8527% < 0 Đây là một giá trị không hợp lý vì nhiệt lượng tỏa ra khi hơi nướcngưng tụ không thể nhỏ hơn nhiệt lượng dòng lạnh nhận được Nguyên nhân của sựkhông hợp lý này là do sai số trong quá trình thí nghiệm Tuy nhiên, ta có thể kết luậnrằng mất mát nhiệt khi tấm chảy tràn ở vị trí “0” là nhỏ nhất, có giá trị rất bé và có thểcoi gần đúng là không có mất mát nhiệt Đó là bởi vì khi tấm chảy tràn ở vị trí “0”, cónghĩa là chênh lệch về cột áp bằng 0, dòng nước lạnh muốn chuyển động qua buồngthí nghiệm thì bắt buộc phải hấp thu nhiệt của dòng hơi để xảy ra hiện tượng đối lưu tựnhiên Cho nên, lượng nhiệt mà dòng lạnh cần là rất lớn → hiệu quả trao đổi nhiệt caonhất → mức độ tổn thất nhiệt là ít nhất

Khi tấm chảy tràn ở vị trí càng cao thì chênh lệch cột áp càng lớn Dòng lạnh tự nó

đã có đủ năng lượng để chuyển động qua buồng trao đổi nhiệt, cho nên hiệu quả traođổi nhiệt thấp hơn → mức độ tổn thất nhiệt càng nhiều

Sự mất mát nhiệt nhiều ở 3 vị trí tấm chảy tràn cuối cùng không chỉ vì lý do trên

mà còn do sai số trong quá trình thí nghiệm

Câu 3: Nhận xét và giải thích về ảnh hưởng của vị trí tấm chảy tràn lên các hệ số

KTN, W/m2.K 623,62 289,50 288,20 245,06 289,77

Đồ thị 7: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG

Khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì (αN)TT càng tăng vì:

- Tấm chảy tràn càng cao thì chênh lệch về cột áp càng lớn → lưu lượng dònglạnh càng tăng → vận tốc dòng lạnh càng tăng → Re càng tăng

- Tấm chảy tràn càng cao thì hiệu quả truyền nhiệt càng thấp → nhiệt độ trungbình của dòng lạnh càng giảm → Pr và µ càng tăng

⇒ Nu càng tăng (công thức (13)) ⇒ (αN)TT càng tăng

Khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì (αN)TN nhìn chung càng giảm vì: ngoại trừ vịtrí tấm chảy tràn đầu tiên (đối lưu tự nhiên) thì ở các vị trí tấm chảy tràn cao hơn (đốilưu cưỡng bức), nhiệt lượng mà dòng lạnh nhận được thay đổi không đáng kể, còn

thì càng tăng (do hiệu quả truyền nhiệt giảm) nên theo công thức (6) ⇒

αtr càng giảm Đây là giá trị khó có thể giải thích một cách chính xác do được tính toándựa trên giả thiết không có mất mát nhiệt, nhưng những số liệu trong công thức thì lạiđược lấy từ kết quả thí nghiệm (có sự mất mát nhiệt xảy ra)

Đồ thị 8: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG

αN (W/m 2 K)

Vị trí tấm chảy tràn

αC (W/m 2 K)

(αC ) TT

Ngoại trừ vị trí tấm chảy tràn đầu tiên (đối lưu tự nhiên) thì ở các vị trí tấm chảytràn cao hơn (đối lưu cưỡng bức): khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì αC càng tăng.

Do nhiệt lượng mà dòng nóng tỏa ra càng tăng và tVng cũng tăng nên theo công thức (7)

⇒αng tăng

Đồ thị 9: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ĐẾN K

Khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì KTT càng tăng Do (αN)TT và (αC)TT cũng tăng

♣ Nói chung khó có thể nhận xét và giải thích một cách chính xác về ảnh hưởngcủa vị trí của tấm chảy tràn vì áp suất hơi đi vào buồng thí nghiệm P3 ở mỗi vị trí tấmchảy tràn là khác nhau và độ mở của van V6 để cho dòng hơi vào buồng thí nghiệmcũng khác nhau, cho nên sẽ ảnh hưởng đến tính chính xác của việc so sánh Bên cạnh

đó, còn có những sai số trong quá trình thí nghiệm

Câu 4: So sánh và giải thích mối tương quan giữa giá trị tính toán và giá trị thực

nghiệm của hệ số cấp nhiệt phía nước trong ống, phía nước ngưng tụ ngoài ống và

hệ số truyền nhiệt tổng quát.

* Hệ số cấp nhiệt phía dòng nước lạnh chảy trong ống:

Dựa vào đồ thị 3 ⇒ có 3 giá trị (αN)TN < (αN)TT, và có 2 giá trị (αN)TN > (αN)TT, đó

là khi tấm chảy tràn ở vị trí “0” và “½”

* Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ ngoài ống:

Dựa vào đồ thị 4 ⇒ ở tất cả các vị trí của tấm chảy tràn thì (αC)TN < (αC)TT

* Hệ số truyền nhiệt tổng quát:

Dựa vào đồ thị 5 ⇒ có 4 giá trị KTN < KTT, chỉ có 1 giá trị KTN > KTT, đó là khi tấmchảy tràn ở vị trí “0”

 Giải thích: theo lý thuyết, các giá trị thực nghiệm phải bằng các giá trị tính toán.

Nhưng trong bài thí nghiệm này, các giá trị thực nghiệm nhìn chung đều nhỏ hơn cácgiá trị tính toán Bởi vì : Các giá trị thực nghiệm là các giá trị được tính dựa trên giảthiết là không xảy ra sự mất mát nhiệt Và nhiệt lượng Q trong các công thức tính giátrị thực nghiệm là nhiệt lượng mà dòng nước lạnh nhận được Nhưng trong thực tế thì

K(W/m 2 K)

Vị trí tấm chảy tràn

luôn xảy ra sự mất mát nhiệt, nghĩa là nhiệt lượng tỏa ra khi hơi nước ngưng tụ luônlớn hơn nhiệt lượng dòng nước lạnh nhận được Cho nên các giá trị tính toán của hệ sốcấp nhiệt và truyền nhiệt luôn lớn hơn các giá trị thực nghiệm.

Có các giá trị thực nghiệm lớn hơn giá trị tính toán, đó là do có sai số trong quátrình thí nghiệm

Câu 5: Nhận xét về sự ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống  V 

Câu 6: Nhận xét về độ tin cậy của kết quả thí nghiệm, ước lượng sai số và những

nguyên nhân dẫn đến sai số.

* Độ tin cậy của kết quả thí nghiệm:

Độ tin cậy của kết quả thí nghiệm chỉ ở mức trung bình Nguyên nhân chính là doyêu cầu của bài thí nghiệm, chỉ tiến hành đo khi quá trình truyền nhiệt đạt chế độ ổnđịnh Nhưng trong thực tế thì ta chỉ có thể nhận biết chế độ ổn định này một cáchtương đối, dựa vào lượng nước ngưng tụ chảy ra một cách đều đặn, cho nên không thể

có độ chính xác cao được Việc chọn sai thời điểm đo sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ kếtquả thí nghiệm

* Ước lượng sai số:

Đồ thị 1:

1 k

2 k 2

n

1 k

2 k

2

5

1 x x n

1 k

2 k 2

n

1 k

2 k

2

5

1 y y n

1 k k k

5

1 y x y x n

1

= 793,019

Hệ số tương quan tuyến tính:

y x

11

σσ

µ

=ρ

= 0,993 ≈ 1

⇒ Quan hệ NuN = f(Re) là quan hệ tuyến tính: y = ax + b

Ap dụng phương pháp bình phương cực tiểu:

=+

10.96,2a6,97237a

,14912391b

3,8238

6091,56a,8238b

5y

xx

ax

b

yx

5

1 k k k

2 k k

y

* k