Thí nghiệm quá trình thiết bị - Đối lưu nhiệt - Bài 1

Nội dung text: Thí nghiệm quá trình thiết bị - Đối lưu nhiệt - Bài 1

1. Mục lục 1. TRÍCH YẾU 2 1.1. Mục đích thí nghiệm 2 1.2. Phương pháp thí nghiệm 2 1.3. Kết quả thí nghiệm 2 1.4. Nhận xét kết quả thí nghiệm: 3 2. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM 3 2.1. Phương trình cân bằng nhiệt 4 2.2. Hệ số truyền nhiệt tổng quát. 5 2.3. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ( hệ số cấp nhiệt) phía dòng nước lạnh chảy trong ống ( N hay T) 6 2.4. Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ 7 3. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 8 3.1. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm 8 3.2. Phương pháp thí nghiệm 11 4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 13 4.1. Xử lý sơ bộ kết quả đo 13 4.2. Xác định các thông số phục vụ tính toán 14 4.3. Tính toán nhiệt lượng, xác định tổn thất nhiệt 14 4.4. Tính toán xác định hệ số cấp nhiệt phía nước chảy trong ống và phía nước ngưng tụ 14 4.5. Đồ thị 16 5. BÀN LUẬN 18 6. PHỤ LỤC 24 7. TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 1
2. Lượng nước ngưng (ml) 88 90 54 60 65 Thời gian đo lượng nước ngưng (s) 384 243 109 110 138 Nhiệt độ nước ngưng t’C (oC) 47 61 59 65 62 Lượng nước chảy trong ống (ml) 805 810 820 800 805 Thời gian đo nước chảy trong ống 177 86 61 52 43 (s) 1.4. Nhận xét kết quả thí nghiệm: Khi thay đổi vị trí tấm chảy tràn lần lượt: “0”, “½”, “¾”, “1 ½” thì các nhiệt độ t2, , t4 tăng dần nhưng khi tấm chảy tràn là 1½ (inch) thì các nhiệt độ trên lại giảm.Đối với nhiệt đđộ t3 thì nhiệt đđộ giảm dần . Ngoại trừ trường hợp tấm chảy tràn ở vị trí “0”, thì trường hợp tấm chảy tràn ở vị trí “¾” có lượng nước ngưng thấp nhất và lượng nước chảy trong ống cao nhất so với các trường hợp còn lại Các nhiệt độ T2, T3 không thay đổi nhiều và các áp suất P2, P3 thay đổi nhiều giữa các chế độ thí nghiệm. 2. 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 Ftr Fng 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 C ng xem như sự ngưng tụ với màng chảy xếp lớp N tr (chảy màng). t Dòng nước lạnh chảy trong ống đứng (gọi tắt là S dòng lạnh) được thực hiện với 2 chế độ chảy: t Vtr t Vng chuyển động tự nhiên và chuyển động cưỡng t N bức. d tr V C 3 d ng 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 , oC (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) (t Vtr t N )Ftr Q’2 = qngFng = ng(tS - tVng)Fng, W Q'2 2 ng , W/(m .K) (7) (t S t Vng )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/(m.K) và thành ống mỏng), ta có: t t t t 2 4 , oC (8) Vtr Vng 2 o • t Vtr ,t Vng : nhiệt độ trung bình tại vách trong và vách ngoài ống truyền nhiệt, C •t 2, t4 : nhiệt độ tại thành ngoài ở đầu vào (đầu dưới) và đầu ra (đầu trên) của ống, oC 2.2. Hệ số truyền nhiệt tổng quát. Q K , W/(m2.K) (9) Ftr t log Q : nhiệt lượng tính theo công thức (1) 5
4. 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 b) Trường hợp đối lưu nhiệt 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 < Re < 10000) với 0,7 < Pr < 120 và tr < 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*: Nu* M 0,14 f(Re) (15) 0,43 Pr Pr PrVtr Giá trị thực nghiệm của M được cho trong bảng 2. Bảng 2: 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 2.4. Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ. 7
5. - Bình chứa nước. - Nồi hơi. - Bình chảy tràn. - Hệ thống van và ống nối - Hệ thống dụng cụ đo nhiệt độ, áp suất. - Hệ thống cấp nước - Nút điều khiển điện trỏ, núm điều chỉnh nhiệt độ và bộ phận điều chỉnh vị trí tấm chảy tràn. Ống truyền nhiệt đặt đứng có kích thước sau: - Chiều cao : H = 60,96 cm - Đường kính ngoài : dng = 15,8 mm - Đường kính trong : dtr = 13,8 mm - Bề dày thành ống : 1mm - Hệ số dẫn nhiệt của ống đồng :λv = 1272 W/(m.K) 9
6. 3.2. Phương pháp thí nghiệm a) Chuẩn bị a) 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 - Kiểm tra nguồn điện, nguồn nước và dụng cụ đo trên thiết bị thí nghiệm b) Chuẩn bị nước cấp 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. c) 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). b) Tiến hành thí nhiệm 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. 11
7. 4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 4.1. Xử lý sơ bộ kết quả đo. STT Các đại lượng đo Vị trí tấm chảy tràn (inch) 0 ½ ¾ 1 1½ o 1 t1 ( C) 42.000 41.000 41.000 41.000 41.000 o 2 t2 ( C) 104.000 106.000 110.000 111.000 102.000 o 3 t3 ( C) 82.000 73.000 63.000 64.000 54.000 o 4 t4 ( C) 98.000 102.000 106.000 107.000 99.000 5 Nhiệt độ nước ngưng t’C (oC) 47.000 61.000 59.000 65.000 62.000 6 PS (bar) 1.013 1.013 1.013 1.013 1.013 o 7 tS ( C) 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000 t t 8 t 1 3 62.000 57.000 52.000 52.500 47.500 N 2 t t 9 t 2 4 101.000 104.000 108.000 109.000 100.500 Vng 2 10 101.000 104.000 108.000 109.000 100.500 t Vtr t Vng t S t Vng 11 t 100.500 102.000 104.000 104.500 100.250 m 2 t t' 12 t S C 73.500 80.500 79.500 82.500 81.000 C 2 13 39.000 47.000 56.000 56.500 53.000 t tVtr tN G .103 (kg/s) (Lưu lượng nước trong 14 N 4.467 9.274 13.269 15.183 18.550 ống) G .103 (kg/s) (Lưu lượng nước ngưng 15 C 0.220 0.354 0.473 0.521 0.451 tụ) 13
8. Công Vị trí tấm chảy tràn (inch) Các đại lượng thức 0 ½ ¾ 1 1½ Tra Pr 2.894 3.540 4.120 3.925 2.980 bảng Tra Pr 1.735 1.690 1.630 1.615 1.743 Vtr bảng Re 11 902.1 1734.0 2296.3 2647.1 2970.6 Trao đổi Gr (12b) 2426910.1 2373304.8 2281083.6 2350720.4 1750243.4 nhiệt (12), Nu 8.814 10.464 12.279 12.671 12.161 phía N (13) nước ( N)TT chảy hay (12), trong 422.1 497.2 578.5 597.5 568.2 ( tr)TT, (13) ống W/m2.K ( N)TN hay (6)' 724.6 997.9 823.4 976.3 718.5 ( tr)TN, W/m2.K Trao ( ) , C TT (16)' 2337.3 1657.5 1399.3 1360.1 2778.2 đổi W/m2.K nhiệt phía ( ) , C TN (7)' 17183.6 6848.4 4581.6 4457.9 69705.5 nước W/m2.K ngưng tụ (NuC) TT (17)' 2087.2 1479.5 1248.3 1213.1 2481.1 Q = Q , 1 (1)' 746.9 1239.8 1218.8 1458.0 1006.6 W Tlog, K (10)' 34.2 40.9 47.1 46.6 52.2 K , TT (19)' 357.5 382.5 409.3 415.1 471.7 Truyền W/m2.K nhiệt tổng KTN, 2 (9)' 826.6 1145.8 978.0 1184.8 729.1 quát W/m .K K’ , TT (20)' 357.4 382.3 409.2 415.0 471.5 W/m2.K K’ / TT (21)' 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 KTT 15
9. Đồ thị 3 : MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH GIỮA (αN)tt VÀ (αN)TN (αN)TT và (αN)TN 1200.000 1000.000 800.000 600.000 (αN)tt (αN)tn 400.000 200.000 0.000 0 1 2 3 4 5 6 Đồ thị 4 : MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH (αC)tt VÀ (αC)TN (αC)TT và (αC)TN 80000.000 70000.000 60000.000 50000.000 40000.000 (αC)tt (αC)tn 30000.000 20000.000 10000.000 0.000 0 1 2 3 4 5 6 17
10. Khi tấm chảy tràn ở các vị trí “0”, “1/2”, “¾”,”1” tổn thất nhiệt tương ứng ΔQ <0 .Điều này vô lý vì trong bài thí nghiệm không sử dụng điện trở để gia nhiệt cho hơi tạo hơi quá nhiệt vậy mà nhiệt lượng tỏa ra khi hơi nước ngưng tụ lại nhỏ hơn nhiệt lượng dòng nước lạnh nhận được.Nguyên nhân sai số có thể là do: - Tiến hành đo các đại lượng như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng khi hệ thống chưa ổn định - Khi đo các đại lượng không đồng loạt và thời gian đo lưu lượng khá dài trong khoảng thời gian đó các giá trị nhiệt độ và áp suất có sự thay đổi. Ta chọn thời điểm đo không chính xác nên dẫn tới sự sai lệch. - Lượng nước ngưng tụ không liên tục, nên viêc đo lưu lượng có sai số. - Sai số do hệ thống thí nghiệm, do các dụng cụ đo áp suất, nhiệt độ 5.3. Nhận xét và giải thích về ảnh hưởng của vị trí tấm chảy tràn lên các hệ số αtr, αng và K. Vị trí tấm chảy tràn (inch) Các đại lượng 0 ½ ¾ 1 1½ (aN)TT hay (atr)TT, W/m2.K 422.1 497.2 578.5 597.5 568.2 (aN)TN hay (atr)TN, W/m2.K 724.6 997.9 823.4 976.3 718.5 2 (aC) TT, W/m .K 2337.3 1657.5 1399.3 1360.1 2778.2 2 (aC) TN, W/m .K 17183.6 6848.4 4581.6 4457.9 69705.5 2 826.6 1145.8 978.0 1184.8 729.1 KTT, W/m K 2 357.4 382.3 409.2 415.0 471.5 KTN, W/m K a) Theo lý thuyết: Khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì ( N)TT càng tăng vì: - Tấm chảy tràn càng cao thì chênh lệch về cột áp càng lớn lưu lượng dòng lạnh 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 trung bình của dòng lạnh càng giảm Pr và  càng tăng. 19
11. Dựa vào đồ thị 3: giá trị (αN)TN> (αN)TT Hệ số cấp nhiệt phía nước ngoài ống: Dựa vào đồ thị 4: tất cả các giá trị (αC)TN đều lớn hơn (αC)TT - Hệ số truyền nhiệt tổng quát: Dựa vào đồ thị 5: tất cả các giá trị KTN đều lớn hơn Ktt Giải thích: Vị trí 0 ½ ¾ 1 1½ K , TT 357.510 W/m2 382.454 409.312 415.136 471.708 4 K K , TN 826.607 977.99085 W/m2 1145.765 1184.775 729.085 8 1 K Các giá trị tính toán của hệ số cấp nhiệt phía nước trong ống và hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ ngoài ống, hệ số truyền nhiệt K đều phải lớn hơn các giá trị thực nghiệm tương ứng.Vì ta đã giả sử bỏ qua sự mất mát nhiệt trong quá trình trao đổi nhiệt nhưng trong quá trình tiến hành thí nghiệm thì luôn luôn tồn tại tổn thất nhiệt ở những mức độ khác nhau, tùy vào hệ thống thiết bị và thao tác của người tiến hành thí nghiệm. Các giá trị thực nghiệm lớn hơn giá trị tính toán, đó là do có sai số trong quá trình thí nghiệm.  V 5.5. Nhận xét sự ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống V 1 Ta có K khi bỏ qua yếu tố trở nhiệt thành ống. tt 1 1 ( N )tt ( C )tt 1 K ' khi xét yếu tố trở nhiệt thành ống. tt 1 1  V ( N )tt ( C )tt V Dựa vào kết quả thí nghiệm ta có K’TT< KTT nghĩa là trở nhiệt thành ống làm tăng hệ số truyền nhiệt tổng quát. Ta nhận thấy rằng: tỉ số này xấp xỉ 1,nhìn chung là thay đổi không đáng kể theo khoảng cách của vạch chảy tràn và vị trí cao nhất của ống dẫn nước lạnh. Ảnh hưởng 21
12. Vị trí tấm chảy tràn 0 ½ ¾ 1 1½ 2 357.5104 382.4544445 409.312968 415.1367373 471.7081841 KTT(W/m .K) 2 826.6078 1145.765118 977.990851 1184.775114 729.0850132 KTN(W/m K) Sai số 56.7497 66.62017034 58.1475667 64.96071429 35.30134681 Giữa giá trị thực nghiệm và giá trị tính toán có sai số lớn => mức độ tin cậy của thí nghiệm tương đối thấp. c) Những nguyên nhân dẫn đến sai số. - Do hệ thống đã cũ nên hoạt động không ổn định. - 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 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 V1 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. - Sai số trong vận hành thí nghiệm. - Sai số trong quá trình tính toán, tra bảng 6. PHỤ LỤC. 6.1. Tính toán cho bảng 3 Chuyển đổi đơn vị đo nhiệt độ, áp suất, tính lưu lượng nước: 5 toC = (t o F 32) 9 23
13. 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. b) 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). 7. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất – Tập 1”, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 626tr. [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. 25