Báo cáo Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị - Truyền nhiệt đối lưu - Lương Duy Quốc Thịnh

Nội dung text: Báo cáo Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị - Truyền nhiệt đối lưu - Lương Duy Quốc Thịnh

1. I. TRÍCH YẾU 2 1. Mục đích 2 2. Nội dung và yêu cầu thí nghiệm 2 3. Sơ lược phương pháp thí nghiệm 2 4. Kết quả thí nghiệm 3 II. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM 3 1. Phương trình cân bằng nhiệt: 4 2. Hệ số truyền nhiệt tổng quát: 5 3. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (hệ số cấp nhiệt) phía dòng nước lạnh chảy trong ống ( N hay tr)6 4. Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ: 7 III. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 8 1. Thiết bị thí nghiệm 8 2. Phương pháp thí nghiệm 9 IV. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 10 V. BÀN LUẬN 15 VI. PHỤ LỤC 19 1. Xử lí sơ bộ kết quả đo 19 2. Xác định các thông số phục vụ tính toán 19
2. - Chuyển thí nghiệm - Kết thúc thí nghiệm. 4. Kết quả thí nghiệm Bảng 1: Kết quả thí nghiệm Vị trí tấm chảy tràn STT Các đại lượng đo 0 1/2 3/4 1 1 1/2 o 1 t1 C 42 40 41 40 40 o 2 t2 C 111 112 112 112 114 o 3 t3 C 86 72 67 63 58 o 4 t4 C 111 110 110 109 109 o 5 Nhiệt độ theo T1 F 209 206 209 209 211 o 6 Nhiệt độ theo T2 F 240 239 239 239 242 7 Áp suất theo P1 PSI 11 11 11 10,5 10,5 8 Áp suất theo P2 PSI 12 11,5 12,5 12 12 9 Lượng nước ngưng ml 35 32 24 25 41 10 Thời gian đo lượng nước ngưng s 60 46 40 36 52 ' o 11 Nhiệt độ nước ngưng tC C 66 68 52 45 58 12 Lượng nước chảy trong ống ml 470 365 450 530 600 13 Thời gian đo lượng nước chảy trong ống s 60 30 30 30 28 II. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM - Sự truyền nhiệt giữa hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài ống đứng với dòng nước lạnh chảy trong ống là một dạng truyền nhiệt được đặc trưng bởi 2 quá trình: trao đổi nhiệt đối lưu trong trường hợp có biến đổi pha (hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ống đứng) và trao đổi nhiệt đối lưu ở dòng lưu chất không có biến đổi pha (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 màng chảy xếp lớp (chảy màng). Hình 1: Sơ đồ cơ chế truyền nhiệt đối lưu
3. •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 ,o C (5) N 2 •C PC : nhiệt dung riêng của nước sau khi ngưng tụ ở nhiệt độ t C , J/kg.K • 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 đối lưu ở chế độ ổn định và không có tổn thất nhiệt: Q = Q’1 = Q’2 - Trong đó: Q’1 = qtrFtr = tr(tVtr - t N )Ftr, W Q '1 2 tr ,W / m  K (6) (tVtr tN )Ftr Q’2 = qngFng = ng(tS - tVng)Fng, W Q '2 2 ng ,W / m  K (7) (tS tVng )Fng - Theo lý thuyết: Q’1 = Q’2 = Q1 = Q2 = Q - Từ 2 công thức (6) và (7) có thể xác định hệ số cấp nhiệt thực nghiệm phía dòng lạnh trong ống ( tr) và hệ số cấp nhiệt phía hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài ống ( ng). - Trong trường hợp nhiệt trở của vách truyền nhiệt không đáng kể (ống đồng có hệ số dẫn nhiệt lớn: V = 1272 W/mK và thành ống mỏng), ta có: t t t t 2 4 ,o C (8) Vtr Vng 2 o • t Vtr ,t Vng : nhiệt độ trung bình tại vách trong và vách ngoài ống truyền nhiệt, C o •t 2, t4 : nhiệt độ tại thành ngoài ở đầu vào (đầu dưới) và đầu ra (đầu trên) của ống, C 2. Hệ số truyền nhiệt tổng quát: Q K ,W / m2  K (9) Ftr tlog • Q : nhiệt lượng tính theo công thức (1)
4. v 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 b. Trường hợp đối lưu cưỡng bức d -Ở chế độ chảy màng (Re 50 : H 1 Nu 0,023Re0,8Pr 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*: Nu* M 0,14 f (Re) Pr Pr0,43 Pr Vtr Giá trị thực nghiệm của M được cho trong bảng 2 Bảng 2: Giá trị thực nghiệm của M Re.10-3 2,2 2,3 2,5 3 3,5 4 5 6 7 8 9 10 M 2,2 3,6 4,9 7,5 10 12,2 16,5 20 24 27 30 33 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 tùy thuộc 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 tinh khiết trên bề mặt ống đứng được xác định theo công thức lý thuyết của Nusselt (xác lập bằng phương pháp giải tích):
5. • Bề dày thành ống :  1mm 0,001m • Hệ số dẫn nhiệt của ống đồng : v 1272W / m K 2. Phương pháp thí nghiệm a. Chuẩn bị - Chuẩn bị dụng cụ và điều kiện thí nghiệm • Chuẩn bị ống đong đo nước ngưng tụ. • Chuẩn bị ống đong đo nước chảy trong ống. • Chuẩn bị nhiệt kế đo nhiệt độ nước ngưng tụ chảy ra. • Chuẩn bị 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 • Khoá 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 • Khoá các van: S1, S3, S5, V3, V6 và V8. • Mở van S4 xả hết nước ngưng dư rồi khoá lại. • Mở van V7. • Cho nước vào bình chứa đến ¾ chiều cao bình và mở nắp bình. Mở van V 8 cấp nước cho nồi đun và khoá van V 8 khi mức 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 đạt 13 PSI. • Cấp điện cho bộ điện trở R2 để gia nhiệt cho hơi nước (nếu có R2). b. Tiến hành thí nghiệm - Điều chỉnh dòng nước lạnh chảy trong ống tho yeu cầu của bài thí nghiệm. - Khi áp suất trong nồi đun đạt 15 PSI, mở hoàn toàn van V7 và từ từ mở van V6 và điều chỉnh để nồi hơi có áp suất dư khoảng 12 PSI. Van V 6 phải mở để đủ hơi ngưng tụ trên bề mặt ống truyền nhiệt và áp suất trong buồng thí nghiệm bằng áp suất khí quyển. - Khi quá trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định, tiến hành đo đồng loạt các đại lượng:
6. o 2 t2 C 111 112 112 112 114 o 3 t3 C 86 72 67 63 58 o 4 t4 C 111 110 110 109 109 ' o 5 tc C 66 68 52 45 58 6 PS bar 1,7585 1,7585 1,7585 1,7240 1,7240 o 7 ts C 115,0 115,0 115,0 114,5 114,5 t1 t3 o 8 tN , C 64 56 54 51,5 49 2 t2 t4 o 9 tV , C 111 111 111 110,5 111,5 ng 2 t t o C 10 Vtr Vng 111 111 111 110,5 111,5 t t 11 s Vng o 113 113 113 112,5 113 tm , C 2 ' tS tC o 12 tC , C 90,50 91,50 83,50 79,75 86,25 2 t t t , K 13 Vtr Vng 47 55 57 59 62,5 14 GN kg / s 0,007685 0,011987 0,014793 0,017444 0,021182 15 GC kg / s 0,000553 0,000660 0,000569 0,000659 0,000748 Bảng 4: Xác định các thông số Vị trí tấm chảy tràn Các thông số Vật lí 0 1/2 3/4 1 1 1/2 CPN J / kg  K 4184 4180 4180 4180 4180  W / m K 0,6666 0,6546 0,6524 0,6496 0,648 3 Nước kg / m 981,1 985,2 986,2 987,4 988,5 chảy  107 m2 / s 4,78 5,48 6,02 6,19 5,88 trong ống  104 K 1 5,500 5,020 4,880 4,710 4,530  104 N  s / m2 4,418 5,064 5,146 5,360 5,588 4 2 tr 10 N  s / m 2,535 2,535 2,535 2,548 2,522 C W / m K 0,6851 0,6851 0,6851 0,6851 0,6851 3 C kg / m 948,2 948,2 948,2 948,6 948,2 Nước 2 ngưng C N  s / m 0,2485 0,2485 0,2485 0,2498 0,2485 tụ 2  C m / s 4230 4230 4230 4230 4230 3 CPC 10 J / kg  K 0,6855 0,6855 0,6855 0,6855 0,6855
7. ' 2 KTT ,W / m  K 386,27 326,97 336,93 583,73 684,53 ' KTT / KTT 0,99970 0,99974 0,99974 0,99954 0,99946 Hình 2: Đồ thị biểu diễn mỗi quan hệ NuN Re 025 020 015 Nu 010 005 000 1,000 1,800 2,600 3,400 Re Hình 3: Đồ thị biểu mối quan hệ Ktt Re 800 600 t t K 400 200 000 000 1,000 2,000 3,000 4,000 Re
8. 1,200 1,000 800 Ktt 600 Ktn Linear (Ktt) 400 Linear (Ktn) 200 000 000 1,000 2,000 3,000 4,000 Re V. 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 trong bình 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 bình chảy tràn thì nước không chảy trong ống đứng và thoát ra ngoài vì lúc đó mực nước trong bình chảy tràn bằng với vị trí cao nhất trong ống P = 0 nước không thể chảy 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 có chảy ra vì khi đó ta dùng hơi nước để cấp nhiệt làm cho dòng lạnh bị nóng lên khi đi vào buồng thí nghiệm có sự đối lưu nhiệt tự nhiên. Đó chính là hiện tượng chuyển động của lưu chất khi có sự chênh lệch về mật độ (khối lượng riêng) giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau. ➢ Câu 2: Nhận xét về mức độ tổn thất nhiệt - Độ tổn thất nhiệt trong bài này là Bảng 7: Độ tổn thất nhiệt Vị trí tấm chảy tràn 0 1/2 3/4 1 1 1/2 DQ(%) -9,12 -4,54 -16,69 -6,93 9,85
9. 1 ( ) ( ) K N TT C TT , W/m2.K TT 1 1 ( ) ( ) N TT C TT ( N )TT ( C )TT - Giải thích vị trí tấm chảy tràn với KTN Q K ,W / m2  K Ftr tlog • Nói chung khó có thể nhận xét và giải thích một cách chính xác về ảnh hưởng của vị trí của tấm chảy tràn vì áp suất hơi đi vào buồng thí nghiệm P3 ở mỗi vị trí tấm chảy tràn là khác nhau và độ mở của van V6 để cho dòng hơi vào buồng thí nghiệm cũng 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 hình 4 Hầu hết các giá trị thực nghiệm đều lớn hơn tính toán. - Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ ngoài ống: • Dựa vào đồ thị hình 5 Tất cả các vị trí của tấm chảy tràn thì ( C)TN > ( C)TT. - Hệ số truyền nhiệt tổng quát: • Dựa vào đồ thị hình 6 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. ➢ Câu 5: Nhận xét ảnh hưởng của nhiệt trở lên thành ống  - Ảnh hương của nhiệt trở V là không đáng kể. V
10. điểm đo chế độ truyền nhiệt vẫn chưa thực sự đạt chế độ ổn định dẫn đến sai số trong việc tính toán hiệu (t3 – t1) trong công thức tính Q1. • Việc xác định lưu lượng nước bằng ống đong và đồng hồ bấm giờ cũng dễ dẫn đến sai số. Do sai sót trong việc đọc giá trị trên ống đong cũng như xác định thời gian bằng đồng hồ kim. • Giá trị ( N)TT được tính với điều kiện là chế độ chảy màng, nhưng trong thực tế thì chế độ chảy của dòng nước lạnh trong ống không hẳn là chảy màng hoàn toàn mà đôi khi có thể ở chế độ chuyển tiếp. Đó là do đôi khi ta phải điều chỉnh van cấp nước V 1 để đảm bảo mực nước trong bình chảy tràn không bị tụt xuống (do nước ngừng cấp) nên đã làm ảnh hưởng đến lưu lượng của dòng nước lạnh. • Giá trị ( N)TT được tính với giả thiết là chất ngưng tụ chảy màng, ngưng tụ hơi tinh khiết trên bề mặt ống đứng, nhưng thực tế không đáp ứng được hoàn toàn chính xác các điều kiện này nên cũng dẫn đến sai số. VI. PHỤ LỤC 1. Xử lí sơ bộ kết quả đo - Đổi nhiệt độ: 5 t o C t o F 32 9 V - Lưu lượng thể tích G V t • V : thể tích nước đo được • t : thời gian 2. Xác định các thông số phục vụ tính toán Các thông số vật lý tham gia trong quá trình tính toán gồm có: - Các thông số vật lý của nước chảy trong ống: CPN, , , , , Pr, , Vtr • Các thông số này đươc xác định ở nhiệt độ trung bình của nước chảy trong ống t1 t 3 t (bảng 3). Riêng Vtr được xác định ở nhiệt độ t t . N 2 Vtr Vng Tra ở bảng 1.249, p310, [1]. - Các thông số của nước ngưng tụ ở áp suất thí nghiệm: C PC, C, C, C, C, CPS, S, S, PrS, Prvtr t t • Các thông số có chỉ số “c” xác định ở nhiệt độ trung bình t S Vng (bảng 3). m 2
11. 1 K' , W/m2.K (20) TT 1  1 V ( N )TT  V ( C )TT - Tính toán so sánh KTT với K’TT: K' 1  TT , V const K TT  V  V 1 K TT  V VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO - [1]. Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất – Tập 2”, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 446tr. - [2]. Phạm Văn Bôn –Vũ Bá Minh – Hoàng Minh Nam, “Quá trình và Thiết bị Công Nghệ Hóa Học – Tập 10: Ví dụ và Bài tập”, ĐHBK Tp.HCM, 468tr.