Báo cáo Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Bài 7: Truyền nhiệt đối lưu - Thái Đỗ Hương Trà

Nội dung text: Báo cáo Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Bài 7: Truyền nhiệt đối lưu - Thái Đỗ Hương Trà

1. Truyền nhiệt đối lưu Nguyễn Sỹ Xuân Ân Contents I. TRÍCH YẾU 2 1. Mục đích thí nghiệm: 2 2. Phương pháp thí nghiệm: 2 3. Kết quả thí nghiệm: 2 II. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM : 2 III. DỤNG CỤ – THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM : 7 IV. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM : 8 V. BÀN LUẬN : 13 VI. PHỤ LỤC : 21 VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 Trang 1
2. Truyền nhiệt đối lưu Nguyễn Sỹ Xuân Ân Sự ngưng tụ hơi nước ở thiết bị thí nghiệm được xem như sự ngưng tụ với màng chảy xếp lớp (chảy màng). Dòng nước lạnh chảy trong ống đứng (gọi tắt là dòng lạnh) được thực hiện với 2 chế độ chảy: chuyển động tự nhiên và chuyển động cưỡng Ftr Fng bức. Sơ đồ cơ chế truyền nhiệt đối lưu được biểu diễn ở hình 1. V,  C : bề dày thành ống và bề dày màng nước N tr C ng ngưng tụ, m. dtr, dng : đường kính trong và ngoài ống, m. t S Ftr, Fng : diện tích bề mặt bên trong và bên ngoài ống đứng có chiều cao H, m2. o t Vtr t Vng ts : nhiệt độ hơi nước bão hòa, C. t N o tN: nhiệt độ trung bình của nước trong ống, C. tVtr, tVng:nhiệt độ trung bình của vách trong và vách ngoài ống, oC. d   C = ng:hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ tr V C (phía lưu chất bên ngoài), W/m2.K d ng N = tr:hệ số cấp nhiệt phía nước lạnh (phía lưu 2 chất trong ống), W/m .K Hình 1: Sơ đồ cơ chế q: mật độ dòng nhiệt truyền qua vách, W/m2. truyền nhiệt đối lưu Phương trình cân bằng nhiệt: Nhiệt lượng dòng nước lạnh nhận được: Q1 = GNCPN(t3 – t1), W (1) Nhiệt lượng tỏa ra khi hơi nước ngưng tụ: Q2 = GC[r + CPC(tS - t C )], W (2) Trong trường hợp truyền nhiệt ổn định và không có tổn thất nhiệt, ta có phương trình cân bằng nhiệt sau: Q = Q1 = Q2 = GNCPN(t3 – t1) = GC[r + CPC(tS - t C )] (3) Trong đó: G N, GC : lưu lượng khối của dòng nước trong ống và dòng nước ngưng tụ, kg/s o t 1, t3 : nhiệt độ đầu và cuối của dòng nước chảy trong ống, C o t S : nhiệt độ hơi nước bão hòa ngưng tụ ở áp suất thí nghiệm, C o t C : nhiệt độ trung bình của nước ngưng tụ, C t t' t S C , oC (4) C 2 t’C : nhiệt độ nước ngưng tụ chảy ra (trong thực tế t’C là nhiệt độ quá lạnh của nước ngưng tụ), oC C PN : nhiệt dung riêng của nước chảy trong ống, xác định ở nhiệt độ trung bình của nước, J/kg.K t t t 1 3 , oC (5) N 2 Trang 3
3. Truyền nhiệt đối lưu Nguyễn Sỹ Xuân Ân wd 4G Ở đây: Re tr N (11)  d tr  Với: w : vận tốc dòng, m/s  : độ nhớt động học của lưu chất, m 2/s : khối lượng riêng của lưu chất, kg/m 3 Trường hợp đối lưu tự nhiên: Hệ số cấp nhiệt N (hay tr) ở trường hợp đối lưu tự nhiên được xác định từ chuẩn số Nusselt (Nu): 0,75 Gr.Pr d H 1  Nu tr 1 exp 16  (12) 32 H d Gr.Pr tr  Trong đó: d d Nu N tr N tr   gd 3 t Gr tr  2 t tVtr t N  Pr a t t Các thông số vật lý của nước được xác định ở nhiệt độ trung bình: t 1 3 , oC N 2 Trường hợp đối lưu cưỡng bức: d * Ở chế độ chảy màng (Re 10 : H 1/ 3 0,14 dtr  Nu 1,86 Re.Pr. (13) H  Vtr t1 t 3 o Các thông số vật lý được xác định ở nhiệt độ trung bình t , C. Riêng  Vtr N 2 được xác định ở nhiệt độ trung bình của vách trong tVtr. d * Ở chế độ chuyển tiếp (2300 50 : H Nu = 0,023Re0,8Pr1/3 (14) Nếu bỏ qua ảnh hưởng của lực nâng với dòng chảy ta có thể áp dụng công thức của Mikhaev để tính Nu*: Trang 5
4. Truyền nhiệt đối lưu Nguyễn Sỹ Xuân Ân III. DỤNG CỤ – THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM : Dụng cụ – thiết bị: xem sơ đồ hệ thống thí nghiệm đối lưu nhiệt Phương pháp thí nghiệm: Chuẩn bị dụng cụ và điều kiện thí nghiệm : - Chuẩn bị ống nghiệm đo nước ngưng tụ. - Chuẩn bị ống nghiệm đo lượng nước chảy trong ống. - Chuẩn bị nhiệt kế đo nhiệt độ nước ngưng tụ chảy ra. - Chuẩn bị một đồng hồ bấm giây để đo thời gian nước chảy trong ống và thời gian nước ngưng tụ chảy ra. - Kiểm tra nguồn điện, nguồn nước và các dụng cụ đo trên thiết bị thí nghiệm. Chuẩn bị cấp nước lạnh : - Khóa các van V1, V4, S1 và mở các van V2 và V5. - Điều chỉnh tấm chảy tràn ở vị trí mong muốn theo yêu cầu của bài thí nghiệm. - Mở van V1 và điều chỉnh để giữ mực nước ổn định ở bình chảy tràn. Chuẩn bị cấp hơi nước : - Khóa các van: S1, S3, S5, V3, V6, V8. - Mở van S4 xả hết nước ngưng dư rồi khóa lại. - Mở van V7. - Cho nước vào bình chứa đến ¾ chiều cao bình và mở nắp bình. Mở van V8 cấp nước cho nồi đun và khóa van V8 khi mực nước trong nồi đun đạt 2/3 chiều cao ống chỉ mức. - Đóng van V7. - Cấp điện cho bộ điện trở đun nước R1 cho đến khi áp suất trong nồi đun đạt khoảng 15 PSI. - Cấp điện cho bộ điện trở R2 để gia nhiệt cho hơi nước (nếu có R2). Tiến hành thí nghiệm: 1) Điều chỉnh dòng nước lạnh chảy trong ống theo yêu cầu của bài thí nghiệm. 2) Khi áp suất trong nồi đun đạt 15 PSI, mở hoàn toàn van V7 và mở từ từ van V6 và điều chỉnh để áp suất hơi đi vào buồng thí nghiệm khoảng 12 PSI. Van V6 phải mở để đủ hơi ngưng tụ trên bề mặt ống truyền nhiệt và áp suất trong buồng 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 đại lượng: - Lượng nước ngưng tụ trong một khoảng thời gian nhất định và nhiệt độ của nước ngưng tụ. - Lượng nước chảy trong ống trong ống trong ống trong một khoảng thời gian nhất định. - Nhiệt độ t1, t2, t3, t4 (đồng hồ hiện số). - Aùp suất trong nồi hơi (áp kế P2). - Nhiệt độ của hơi trong nồi hơi (đồng hồ đo nhiệt độ T2). Trang 7
5. Truyền nhiệt đối lưu Nguyễn Sỹ Xuân Ân 3 GN.10 (kg/s) 7.261 13.381 13.585 15.586 21.223 3 GC.10 (kg/s) 0.102 0.157 0.145 0.194 0.161 Bảng 4: Vị trí tấm chảy tràn (inch) Các thông số vật lý 0 ½ ¾ 1 1½ CPN (J/kg.K) 4178 4178 4178 4178 4178 .102 (W/mK) 64.1 63.75 62.6 62.15 62.15 (kg/m3) 990.1 991.15 994 994.85 994.85 Nước .106 (m2/s) 0.602 0.631 0.723 0.764 0.764 chảy .104 (1/K) 4.2 4.035 3.6 3.405 3.405 trong ống .103 (Ns/m2) 0.598 0.626 0.722 0.762 0.762 Pr 3.93 4.12 4.9 5.16 5.16 3 2 Vtr.10 (Ns/m ) 0.315 0.306 0.315 0.417 0.343 CPC (J/kg.K) 4242 4216 4242 4199 4268 2 C.10 (W/mK) 68.05 68.1 68.05 67.65 68 3 C (kg/m ) 963.55 961.8 963.55 970.2 965.3 7 2 C.10 (m /s) 0.318 0.309 0.318 0.357 0.326 4 2 Nước C.10 (Ns/m ) 0.306 0.297 0.306 0.343 0.315 ngưng tụ CPS (J/kg.K) 4220 4220 4220 4220 4220 2 S.10 (W/mK) 68.2 68.2 68.2 68.2 68.2 3 S (kg/m ) 958.4 958.4 958.4 958.4 958.4 PrS 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75 PrVng 2.02 1.9 1.95 2.67 2.15 Hơi nước r .10-3 (J/kg) 2260 2260 2260 2260 2260 bão hòa S Bảng 5: Nhiệt lượng, Vị trí tấm chảy tràn (inch) tổn thất nhiệt 0 ½ ¾ 1 1½ Q1 (W) 940.40 1565.31 851.35 390.71 798.04 Q2 (W) 237.22 365.68 337.71 458.94 377.71 Q (W) -703.18 -1199.63 -513.64 68.23 -420.34 Q (%) -74.77 -76.64 -60.33 17.46 -52.67 Trang 9
6. Truyền nhiệt đối lưu Nguyễn Sỹ Xuân Ân 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 Trang 11
7. Truyền nhiệt đối lưu Nguyễn Sỹ Xuân Ân Đồ thị 4: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH GIỮA ( C)TN VÀ ( C)TT Đồ thị 5: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH GIỮA KTN VÀ KTT Trang 13
8. Truyền nhiệt đối lưu Nguyễn Sỹ Xuân Ân Đồ thị: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ĐẾN MỨC ĐỘ TỔN THẤT NHIỆT Ta nhận thấy ở vị trí tấm chảy tràn mức “0”, “1/2”, “3/4”, “1 ½” là giá trị không hợp lý, tổn thất nhiệt tương ứng là (%) -74.748, -76.638, -60.3325, -52.67. Đây là một giá trị không hợp lý vì nhiệt lượng tỏa ra khi hơi nước ngưng tụ không thể nhỏ hơn nhiệt lượng dòng lạnh nhận được. Nguyên nhân của sự không hợp lý này là do sai số trong quá trình thí nghiệm. Tuy nhiên ở vị trí tấm chảy tràn mức 1 ta nhận thấy tổn thất nhiệt là 17.4638, nhìn chung giá trị này hợp lý vì lượng nhiệt tỏa ra của hơi nước ngưng tụ lớn hơn lượng nhiệt dòng lạnh nhận được và giá trị sai số chênh lệch là nhỏ nhất, nghĩa là tổn thất nhiệt nhỏ nhất. Câu 3: Nhận xét và giải thích về ảnh hưởng của vị trí tấm chảy tràn lên các hệ số tr, ng và K. Vị trí tấm chảy tràn (inch) Hệ số 0 ½ ¾ 1 1½ 2 ( N)TT, W/m .K 229.448 231.118 218.805 189.353 209.111 2 ( N)TN, W/m .K 808.161 1172.056 596.149 422.110 580.315 2 ( C)TT, W/m .K 7135.51 8090.05 7314.483 5251.765 9433.949 2 ( C)TN, W/m .K 846.212 2095.05 1330.188 540.6193 915.5259 2 KTT, W/m .K 222.2993 224.6991 212.4494 182.763 202.5287 2 KTN, W/m .K 669.6586 1058.136 508.5306 220.3237 447.0576 Trang 15
9. Truyền nhiệt đối lưu Nguyễn Sỹ Xuân Ân Đồ thị: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ĐẾN C Theo lý thuyết: Khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì C càng tăng. Do nhiệt lượng mà dòng nóng tỏa ra càng tăng và tVng cũng tăng nên theo công thức (7) ng tăng. Q'2 2 ng , W/m .K (tS tVng )Fng Do sai số thao tác khi thí nghiệm, làm cho các giá trị tăng giảm không theo quy luật trên. Trang 17
10. Truyền nhiệt đối lưu Nguyễn Sỹ Xuân Ân 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 tất cả các giá trị thực nghiệm đều lớn hơn tính toán. * Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ ngoài ống: Dựa vào đồ thị 4 tất cả các vị trí của tấm chảy tràn thì ( C)TN < ( C)TT. * Hệ số truyền nhiệt tổng quát: Dựa vào đồ thị 5 tất cả các giá trị thực nghiệm đều lớn hơn tính toán.  Giải thích: Theo lý thuyết, các giá trị thực nghiệm phải bằng các giá trị tính toán. Nhưng trong bài này thì thực nghiệm có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn tính toán. Bởi vì: các giá trị thực nghiệm là các giá trị được tính dựa trên giả thiết là không xảy ra sự mất mát nhiệt. Và nhiệt lượng Q trong các công thức tính giá trị thực nghiệm là nhiệt lượng mà dòng nước lạnh nhận được. Nhưng trong thực tế thì luôn xảy ra sự mất mát nhiệt, nghĩa là nhiệt lượng tỏa ra khi hơi nước ngưng tụ luôn lớn hơn nhiệt lượng dòng nước lạnh nhận được. Cho nên các giá trị tính toán của hệ số cấp 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 quá trình thí nghiệm.  V Câu 5: Nhận xét về sự ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống V Vị trí tấm chảy tràn (inch) Hệ số 0 ½ ¾ 1 1½ 2 KTT, W/m .K 225.372 227.464 215.185 185.590 205.358 2 K’TT, W/m .K 169.394 170.574 163.574 145.889 157.833 K’TT/ KTT 0.752 0.750 0.760 0.786 0.769 Ta nhận thấy rằng: tỉ số này xấp xỉ 0.8, chứng tỏ ảnh hưởng của nhiệt trở của thành ống là đáng kể. Do đó, ta không thể bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống. 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 thấp. Nguyên nhân chính là do yêu cầu của bài thí nghiệm, chỉ tiến hành đo khi quá trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định. Nhưng trong thực tế thì ta chỉ có thể nhận biết chế độ ổn định này một cách tương 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 kết quả thí nghiệm. * Ước lượng sai số: Đồ thị 1: xk (Re) 1123.919 1973.942 1744.031 1891.966 2576.294 x =1862 Trang 19
11. Truyền nhiệt đối lưu Nguyễn Sỹ Xuân Ân Đồ thị 2: xk (Re) 1123.919 1973.942 1744.031 1891.966 2576.294 yk (KTT) 222.2993 224.6991 212.4494 182.763 202.5287 Sử dụng phương pháp nội suy, ta có y = -0.0128x + 232.82 Khi đó ta có đồ thị sau: xk 1123.919 1973.942 1744.031 1891.966 2576.294 yk 222.2993 224.6991 212.4494 182.763 202.5287 * yk 218.43 207.55 210.5 208.6 199.84 yk 3.87 17.15 1.95 -25.84 2.689 y k  * 100% 1.77 8.26 0.926 12.4 1.35 y k Sai số của phép đo NuN = f(Re) và KTT = f(Re) là rất nhỏ. * Những nguyên nhân dẫn đến sai số: - Giá trị hiện trên đồng hồ hiện số không ổn định, thường dao động, cho nên kết quả đọc được chỉ là giá trị trung bình. Vì thế không có được độ chính xác cao nhất. - Ta không thể đọc cùng một lúc 4 giá trị trên đồng hồ hiện số (do còn phải vặn núm điều chỉnh đến giá trị cần đo), mà các giá trị này lại thay đổi rất nhanh, do tại thời Trang 21
12. Truyền nhiệt đối lưu Nguyễn Sỹ Xuân Ân Các thông số có chỉ số “vng” xác định ở nhiệt độ tVng. Tra ở bảng 1.249, p310, [1]. Các thông số vật lý của hơi nước bão hòa ở áp suất thí nghiệm: rS được xác định ở nhiệt độ tS đối với hơi nước bão hòa. Tra ở bảng 1.251, p314, [1]. Kết quả xác định các thông số vật lý được đưa vào bảng 4. Tính toán nhiệt lượng, xác định tổn thất nhiệt: Nhiệt lượng Q1 tính theo công thức (1) Nhiệt lượng Q2 tính theo công thức (2) Tổn thất nhiệt tính theo: Q = Q2 - Q1 Q Tỷ lệ tổn thất nhiệt: Q(%) = 100% Q1 Kết quả tính toán đưa vào bảng 5. Tính toán xác định hệ số cấp nhiệt phía nước chảy trong ống: Ở trường hợp đối lưu tự nhiên (ứng với thí nghiệm ở vị trí “0” của tấm chảy tràn), Nu và N ( tr) tính toán theo công thức (12). Trường hợp đối lưu cưỡng bức (ứng với thí nghiệm ở vị trí “½, ¾, 1, 1 ½” của tấm chảy tràn) Nu và N ( tr) tính toán theo công thức (13) hoặc (14) tùy theo chế độ chảy cụ thể. Các giá trị N ( tr) tính toán trong 2 trường hợp trên được gọi là hệ số cấp nhiệt tính toán ( N)TT hay ( tr)TT. Giá trị của N ( tr) xác định từ công thức (6) gọi là hệ số cấp nhiệt thực nghiệm ( N)TN hay ( tr)TN. Kết quả tính toán được đưa vào bảng 6. Tính toán xác định hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ: Trường hợp nước ngưng tụ chảy màng, hệ số cấp nhiệt C tính theo công thức (16) hoặc suy ra từ Nu trong công thức (17). Hệ số C hoặc Nu tính theo công thức (16) và (17) gọi là giá trị tính toán ( C)TT, (Nu)TT. Hệ số cấp nhiệt thực nghiệm ( C)TN phía hơi nước ngưng tụ được tính theo công thức (7). Kết quả tính toán được đưa vào bảng 6. Tính hệ số truyền nhiệt tổng quát: Hệ số truyền nhiệt tổng quát được tính theo công thức: 1 ( ) ( ) K N TT C TT , W/m2.K (19) TT 1 1 ( ) ( ) N TT C TT ( N )TT ( C )TT Ở đây: KTT là hệ số truyền nhiệt tổng quát (tính theo ( N)TT và ( C)TT, bỏ qua ảnh  V hưởng của nhiệt trở thành ống .  V Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN được tính theo công thức (9), trong đó Q = Q1.  V Tính hệ số truyền nhiệt có kể đến ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống :  V Trang 23