Thí nghiệm quá trình thiết bị - Đối lưu nhiệt - Bài 3

Nội dung text: Thí nghiệm quá trình thiết bị - Đối lưu nhiệt - Bài 3

1. TN Quá trình & Thiết bị Đối lưu nhiệt 1. TRÍCH YẾU 1.1. Mục đích thí nghiệm. 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 và phương 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 và dòng lưu chất có biến đổi pha với chế độ ngưng tụ chảy màng trong hai trường hợp: 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 và truyền nhiệt thực nghiệm. 5) Thiết lập cân bằng nhiệt lượng trong quá trình trao đổi nhiệt đối lưu. 1.2. Phương pháp thí nghiệm ❖ Thực hiện thí nghiệm theo trình tự sau: - Chuẩn bị dụng cụ và điều kiện thí nghiệm - Chuẩn bị cấp nước lạnh - Chuẩn bị cấp hơi nước - Khi quá trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định thì tiến hành đo đồng loạt các đại lượng - Ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác (tiến hành 5 thí nghiệm ứng với 5 vị trí tấm chảy tràn) - Kết thúc thí nghiệm. 1.3. Kết quả thí nghiệm. Page 1
2. TN Quá trình & Thiết bị Đối lưu nhiệt - V, C : bề dày thành ống và bề dày màng nước ngưng tụ, m. -d tr, dng : đường kính trong và ngoài ống, m. 2 -F tr, Fng : diện tích bề mặt bên trong và bên ngoài ống đứng có chiều cao H, m . o -t s : nhiệt độ hơi nước bão hòa, C. o -t N: nhiệt độ trung bình của nước trong ống, C. o -t Vtr, tVng:nhiệt độ trung bình của vách trong và vách ngoài ống, C. 2 - c = ng:hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ (phía lưu chất bên ngoài), W/m .K 2 - N = tr:hệ số cấp nhiệt phía nước lạnh (phía lưu chất trong ống), W/m .K - q: mật độ dòng nhiệt truyền qua vách, W/m2. 2.1. 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 - tC )], 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 - tC )] (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 • tC : 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 Page 3
3. TN Quá trình & Thiết bị Đối lưu nhiệt 2.3. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ( hệ số cấp nhiệt) phía dòng nước lạnh chảy trong ống ( N hay T). Hệ số cấp nhiệt N (hay tr) được xác định tùy thuộc vào dạng trao đổi nhiệt (đối lưu 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 tỷ Gr số : Re2,5 Gr Dòng lưu chất đối lưu cưỡng bức 10 3 Re0.25 Gr Vùng hỗn hợp 2 dịng đối lưu 10 3 10 2 Re0.25 Gr Dòng lưu chất đối lưu tự nhiên 10 2 Re0.25 d 4G Ở đây: Re tr N (11)  dtr  Trong đó: : vận tốc dòng, m/s  : độ nhớt động học của lưu chất, m2/s : khối lượng riêng của lưu chất, kg/m3 a) Trường hợp đối lưu nhiệt tự nhiên. Hệ số cấp nhiệt N (hay tr) ở trường hợp đối lưu tự nhiên được xác định từ chuẩn số 0,75 H 1 16  Gr.Pr dtr dtr Gr.Pr Nusselt (Nu): Nu . 1 e  (12) 32 H  d d gd3 t Trong đó: Nu N tr N tr Gr tr   2  t tVtr t N Pr a t1 t 3 o Các thông số vật lý của nước được xác định ở nhiệt độ trung bình: t N , C 2 Page 5
4. TN Quá trình & Thiết bị Đối lưu nhiệt t t Các thông số vật lý được xác định ở nhiệt độ trung bình t S Vng , oC. m 2 Riêng rS 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: 0,25 H gH 3  r Nu C 0,943 . C . S C 2   C  C C CPC (t S t Vng ) CCPC m 0,25 0,25 = 0,943(GaC .PrC .K)m 0,943(K o )m (17) Ở đây: r K S Là chuẩn số đồng dạng của Kutalelagze. C (t t ) PC S Vng Trường hợp nước ngưng tụ chảy màng không phụ thuộc vào vận tốc (tức không phụ 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: 0,25 0,25   Nu* 0,42(Ga.Pr.K)0,28 S 0,42(K )0,28 S (18) C S o S  Vng  Vng Khác với công thức (16) ở đây các thông số vật lý được xác định ở nhiệt độ tS. t 2 t 4 o Riêng PrVng xác định ở nhiệt độ trung bình của vách ngoài t , C. Vng 2 3. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 3.1. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm. ❖ Hệ thống thí nghiệm đối lưu nhiệt gồm có: - Ống truyền nhiệt. - 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. Page 7
5. TN Quá trình & Thiết bị Đối lưu nhiệt 3.2. Phương pháp thí nghiệm a) Chuẩn bị ❖ 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 ❖ 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. ❖ 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. Page 9
6. TN Quá trình & Thiết bị Đối lưu nhiệt 4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 4.1. Xử lý sơ bộ kết quả đo: Vị trí tấm chảy tràn (inch) Các đại lượng đo 0 ½ ¾ 1 1½ o t1 ( C) 43 43 43 42 42 o t2 ( C) 98 113 110 107 96 o t3 ( C) 72 65 60 59 59 o t4 ( C) 97 111 108 104 95 o t’C ( C) 50 65 51 38 43 PS (bar) 1.772 1.703 1.703 1.703 1.703 o tS ( C) 116.419 115.153 115.153 115.153 115.153 t t t 1 3 , oC 57.5 54 51.5 50.5 50.5 N 2 t t t 2 4 , oC 97.5 112 109 105.5 95.5 Vng 2 o t Vtr t Vng , C 97.5 112 109 105.5 95.5 t t t S Vng , oC 106.959436 113.577 112.076673 110.3267 105.3267 m 2 t t' t S C , oC 83.2094356 83 83.076673 76.57667 79.07667 C 2 t t Vtr t N , K 40 58 57.5 55 45 GN (kg/s) 0.00529236 0.01044 0.01508953 0.017568 0.018728 GC (kg/s) 0.00029643 0.00047 0.00050375 0.000556 0.0006 Page 11
7. TN Quá trình & Thiết bị Đối lưu nhiệt 4.3. Tính toán nhiệt lượng, xác định tổn thất nhiệt. Nhiệt lượng, Vị trí tấm chảy tràn (inch) tổn thất nhiệt 0 ½ ¾ 1 1½ Q1 (W) 641.38579 958.6132 1071.364 1246.563 1328.866 Q2 (W) 699.6322 1109.546 1186.324 1324.021 1423.463 Q (W) 58.246404 150.933 114.9596 77.45815 94.59666 Q (%) 9.0813367 15.74493 10.7302 6.213737 7.118601 4.4. Tính toán xác định hệ số cấp nhiệt phía nước chảy trong ống và phía nước ngưng tụ. Công Vị trí tấm chảy tràn (inch) Các đại lượng thức 0 ½ ¾ 1 1½ Tra Pr 3.036 3.064 3.316 3.512 3.848 bảng Tra Pr 1.800 1.574 1.615 1.668 1.840 Vtr bảng Re (11) 613.9 1139.7 1644.2 1908.8 2042.3 Trao đổi Gr (12b) 795995.7 1017408.7 1008637.9 964784.1 789368.8 nhiệt phía (12), NuN 7.628 49.065 76.984 95.519 113.512 nước (13) chảy ( N)TT trong hay (12), 363.7 2301.6 3583.6 4489.0 5287.4 ống ( tr)TT, (13) W/m2.K ( N)TN hay 606.3 625.0 704.5 857.0 1116.6 (6)' ( tr)TN, W/m2.K Trao 6669.1 9049.0 8855.1 7760.5 7346.2 ( C) TT, (16)' đổi W/m2.K nhiệt 1498.6 8822.9 7602.8 5053.3 4034.2 phía ( C) TN, (7)' 2 nước W/m .K ngưng 5947.5 8055.4 7885.6 6913.1 6553.0 tụ (NuC) TT (17)' Page 13
8. TN Quá trình & Thiết bị Đối lưu nhiệt Đồ thị 2 : Biểu diễn mối quan hệ giữa Ktt và Re 3500 Ktt 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 500 1000 1500 2000 Re 2500 b) Đồ thị biểu diễn mối tương quan so sánh giữa các đại lượng tính toán và thực nghiệm. Đồ thị 3: Mối tương quan so sánh giữa (αN)t và (αN)tn 6000.0 (αN)tt 5000.0 4000.0 3000.0 2000.0 1000.0 0.0 0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0 (αN)tn Page 15
9. TN Quá trình & Thiết bị Đối lưu nhiệt 5. BÀN LUẬN 5.1. Giải thích tại sao khi thí nghiệm với vị trí tấm chảy tràn ở mức “0” mà nước trong ống vẫn chảy. 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 =>Δ 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 động của lưu chất khi có sự chênh lệch về mật độ (khối lượng riêng) giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau. 5.2. Nhận xét về mức độ tổn thất nhiệt. Vị trí tấm chảy tràn(inch) 0 ½ ¾ 1 1½ ΔQ (%) 9.0813367 15.74493 10.7302 6.213737 7.118601 Q (W) 58.246404 150.933 114.9596 77.45815 94.59666 ❖ Nhiệt lượng tổn thất dương phù hợp lý thuyết. Nhiệt lượng tổn thất tương đối lớn. Nguyên nhân sai số có thể là do: - Hệ thống cách nhiệt không hoàn toàn. - Tổn thất nhiệt do hơi nước trao đổi với môi trường trong thiết bị trao đổi nhiệt. - 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 do áp suất, nhiệt độ Page 17
10. TN Quá trình & Thiết bị Đối lưu nhiệt Theo kết quả thí nghiệm (αC)TN tăng phù hợp với lý thuyết nhưng tăng không đều. Điều này có thể hiểu thông qua sự biến thiên của 2 đại lượng trên. Cùng các sai số thí nghiệm như đã nhắc ở trên. c) Theo lý thuyết khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì Ktt càng tăng. Do hệ quả tăng giảm của ( N)tt và ( C)tt , thể hiện qua phương trình 1 ( ) ( ) K N tt C tt , W/m2.K tt 1 1 ( ) ( ) N tt C tt ( N )tt ( C )tt Đối với KTN : Q K , W/m2.K Ftr t log 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. 5.4. 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 ngoài ống và hệ số truyền nhiệt tổng quát. - Hệ số cấp nhiệt phía nước trong ống: 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 nhỏ hơn (αC)TT - Hệ số truyền nhiệt tổng quát: Dựa vào đồ thị 5: tất cả các giá trị KTN đều nhỏ hơn KTT Giải thích: Vị trí 0 ½ ¾ 1 1½ K , TT 344.9 1834.9 2551.2 2844.0 3074.5 ( W/m2K ) K , TN 420.3 599.3 640.3 733.3 781.7 ( W/m2K ) 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 Page 19
11. TN Quá trình & Thiết bị Đối lưu nhiệt Vị trí tấm chảy tràn (inch) 0 ½ ¾ 1 1½ (αN)TT 363.7 2301.6 3583.6 4489.0 5287.4 (αN)TN 606.3 625.0 704.5 857.0 1116.6 Sai số (%) -40.018 268.279 408.646 423.795 373.512 Vị trí tấm chảy tràn (inch) 0 ½ ¾ 1 1½ (αC)TT 6669.1 9049.0 8855.1 7760.5 7346.2 (αC)TN 1498.6 8822.9 7602.8 5053.3 4034.2 Sai số (%) 345.02557 2.562634 16.47144 53.57364 82.09691 Hệ số truyền Vị trí tấm chảy tràn (inch) nhiệt 0 ½ ¾ 1 1½ 2 KTT, W/m .K 344.9 1834.9 2551.2 2844.0 3074.5 2 KTN, W/m .K 420.3 599.3 640.3 733.3 781.7 Sai số (%) -17.9369 206.1957 298.4602 287.8273 293.3 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 Page 21
12. TN Quá trình & Thiết bị Đối lưu nhiệt 6.3. Tính toán cho bảng 5 • 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 6.4. Tính toán cho bảng 6 a) 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. 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. Page 23