Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị - Truyền nhiệt ống lồng ống - Bài 2

Nội dung text: Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị - Truyền nhiệt ống lồng ống - Bài 2

1. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống 1. TRÍCH YẾU : 1.1. Mục đích thí nghiệm: - Làm quen với thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống, các dụng cụ đo nhiệt độ và lưu lượng lưu chất. - Xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt giữa 2 dòng lạnh, nóng, qua vách kim loại, ở các chế độ chảy khác nhau. - Thiết lập cân bằng nhiệt lượng. 1.2. Phương pháp: Khảo sát ống B và ống C ở những chế độ chảy khác nhau tử đó tính tóan xác định hệ số truyền nhiệt giữa hai dòng lạnh và nóng. 1.3. Kết quả thí nghiệm: Kết quả thô: 1 ft3 = 2.83x10-2 m3 Bảng 1 Số liệu thí nghiệm Ống B Lưu lượng dòng nóng 0.2 0.24 0.3 0.39 (ft3/ph) Lưu lượng dòng lạnh tV1 tR1 tV2 tR2 tV1 tR1 tV2 tR2 tV1 tR1 tV2 tR2 tV1 tR1 tV2 tR2 (ft3/ph) 0.2 89 80 35 40 84 77 36 40 83 77 35 39 80 74.5 35 39 0.3 88 79 33 37 85 78 33 37 82 75.5 33 36 81 76 33 37 0.4 87 78 32 36 86 78 33 36 82 75 32 35 82 77 32 36 0.5 86 77 32 34 86 78 32 35 81 75 31 34 82 77 32 35 Bảng 2 Số liệu thí nghiệm Ống C Lưu lượng dòng nóng 0.2 0.24 0.3 0.34 (ft3/ph) Lưu lượng dòng lạnh tV1 tR1 tV2 tR2 tV1 tR1 tV2 tR2 tV1 tR1 tV2 tR2 tV1 tR1 tV2 tR2 (ft3/ph) 0.2 88 80 36 40 87 82 36 42 87 82 37 42 90 85 37 44 0.3 87 79 34 39 88 80 35 40 86.5 80 35 40 90 84 35 41 0.4 87 77 33 37 88 79 34 38 87 79 34 39 90 82 34 39 0.5 87 76 33 37 88 78 33 37 87 78 33 38 90 81 33 38 1.4. Nhận xét kết quả: Hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm K1 nhỏ hơn hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết * K1 do tổn thất nhiệt và các sai số xảy ra trong quá trình thí nghiệm. Trang 1
2. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống 0,25 Pr m n Nu A.Re .Pr .  l . R Prt Các hệ số A, n, m, l, R, là các hệ số thực nghiệm, tùy thuộc vào các yếu tố sau : - Chế độ chảy của các dòng lưu chất - Sự tương quan giữa dòng chảy và bề mặt truyền nhiệt - Đặc điểm bề mặt truyền nhiệt (độ nhám, hình dạng ) 2.6. Chế độ chảy của lưu chất được đặc trưng bằng chuẩn số Re: w.l Re  Trong đó: w : Vận tốc dòng, m/s  : Độ nhớt động học của lưu chất, m2/s l : Kích thước hình học đặc trưng, m. Trường hợp lưu chất chuyển động qua tiết diện không tròn, l được tính bằng đường kính tương đương dtd 4F d td  Trong đó: F : Diện tích mặt cắt (tiết diện ngang mà dòng lưu chất chuyển động qua), m2  : Chu vi tiết diện ướt (chu vi mà chất lỏng tiếp xúc với bề mặt trao đổi nhiệt), m Thông số  được xác định ở nhiệt độ trung bình của lưu chất. 2.7. Chuẩn số Nu: - Phương thức chảy ngang (ống kiểu B) 0,25 3 0.5 0.38 Pr 5 < Re < 10 Nu 0.5.Re .Pr . PrV 0,25 3 5 0.6 0.38 Pr 10 < Re <2.10 Nu 0.25.Re .Pr . PrV 0,25 5 6 0.8 0.37 Pr 2.10 < Re < 2.10 Nu 0.023.Re .Pr . PrV - Chế độ chảy dọc theo thân ống (Ống kiểu C)  Chế độ chảy màng Re < 2320 0,25 Pr 0.33 0.43 0.1 Nu 0.15.Re .Pr .Gr . .1 PrV  Chế độ chảy chuyển tiếp 2320 < Re < 10000 0,25 Pr 0.43 Nu C.Pr . .1 PrV Trang 3
3. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống - Điều chỉnh lưu lượng dòng nóng vào ống bằng van 3 (van hồi lưu) lần lượt ở các mức (ft3/ph): 0.39; 0.3; 0.24; 0.2. - Ứng với mỗi mức lưu lượng dòng lạnh ta điều chỉnh bằng van 4 lần lượt lưu lượng dòng lạnh vào ống ở các mức (ft3/ph): 0.2; 0.3; 0.4; 0.5. - Điểu chỉnh van II để lần lựơt đo lưu lượng của dòng nóng và dòng lạnh. - Tiến hành đo nhiệt độ đầu vào, đầu ra của dòng lạnh (t2V, t2R), và nhiệt độ đầu vào, đầu ra của dòng nóng (t1V, t1R), ở mỗi chế độ thí nghiệm khi quá trình ổn định hoàn toàn . Dòng nóng được đo liên tục và hòan lưu liên tục để tránh tổn thất nhiệt. - Ở bài thí nghiệm này tiến hành ở chế độ dòng nóng và dòng lạnh chảy ngược chiều nhau. 4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM : 4.1. Nhiệt lượng Q và tổn thất nhiệt: Bảng 3 Nhiệt lượng Q và tổn thất nhiệt ở ống B Lưu lượng dòng nóng 9.43x10-5 1.13x10-4 1.42x10-4 1.84x10-4 (m3/s) Lưu lượng Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q dòng lạnh nóng lạnh nóng lạnh nóng lạnh nóng lạnh (W) (W) (W) (W) (W) (W) (W) (W) (W) (W) (W) (W) (m3/s) 9.43x10-5 3446 1958 1489 3226 1566 1660 3458 1567 1891 4127 1567 2561 1.42x10-4 3449 2352 1097 3224 2352 872 3749 1764 1985 3749 2352 1398 1.89x10-4 3451 3137 315 3683 2352 1331 4038 2353 1685 3747 3137 610 2.36x10-4 3454 1961 1493 3683 2941 742 3462 2943 519 3747 2941 806 Bảng 4 Nhiệt lượng Q và tổn thất nhiệt ở ống C Lưu lượng dòng nóng 9.43x10-5 1.13x10-4 1.42x10-4 1.60x10-4 (m3/s) Lưu lượng Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q dòng lạnh nóng lạnh nóng lạnh nóng lạnh nóng lạnh (W) (W) (W) (W) (W) (W) (W) (W) (W) (W) (W) (W) (m3/s) 9.43x10-5 3065 1566 1499 2298 2348 -50 2872 1956 916 3248 2738 510 1.42x10-4 3067 2938 129 3678 2937 741 3737 2937 800 3899 3523 376 1.89x10-4 3836 3136 701 4139 3134 1004 4600 3917 683 5202 3917 1285 2.36x10-4 4222 3919 302 4600 3919 681 5177 4898 279 5855 4898 956 Trang 5
4. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống Bảng 8 Hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm ở ống C Lưu lượng dòng nóng Lưu lượng dòng lạnh Q (W) t K (W/mK) (m3/s) (m3/s) lạnh log 1 9.43x10-5 1566 45.97 34 1.42x10-4 2938 46.48 63 9.43x10-05 1.89x10-4 3136 46.94 67 2.36x10-4 3919 46.41 84 9.43x10-5 2348 45.50 52 1.42x10-4 2937 46.48 63 1.13x10-04 1.89x10-4 3134 47.46 66 2.36x10-4 3919 47.94 82 9.43x10-5 1956 45.00 43 1.42x10-4 2937 45.75 64 1.42x10-04 1.89x10-4 3917 46.48 84 2.36x10-4 4898 46.97 104 9.43x10-5 2738 46.99 58 1.42x10-4 3523 49.00 72 1.60x10-04 1.89x10-4 3917 49.48 79 2.36x10-4 4898 49.97 98 4.4. Hệ số cấp nhiệt 1, 2: Chú thích: “1” là dòng nóng, “2” là dòng lạnh. Bảng 9 Chế độ chảy của lưu chất ở ống B 6 2 6 2 w1(m/s) w2(m/s) x10 (m /s) x10 (m /s) Re1 Re2 0.286 0.34745 0.69750 24692 8200 0.429 0.35135 0.73500 24418 11672 0.613 0.572 0.35525 0.75000 24150 15252 0.715 0.35915 0.76500 23888 18691 0.286 0.36305 0.69000 28357 8289 0.429 0.35915 0.73500 28665 11672 0.735 0.572 0.35720 0.74250 28822 15406 0.715 0.35720 0.75750 28822 18876 0.286 0.36500 0.70500 35257 8113 0.429 0.37125 0.74250 34663 11554 0.919 0.572 0.37250 0.75750 34547 15101 0.715 0.37500 0.77250 34317 18510 0.286 0.37875 0.70500 44170 8113 0.429 0.37250 0.73500 44911 11672 1.195 0.572 0.36750 0.75000 45522 15252 0.715 0.36750 0.75750 45522 18876 Trang 7
5. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống Bảng 12 Hệ số cấp nhiệt 1, 2 của dịng nĩng và dịng lạnh ở ống C w w   1 2 Pr Pr Pr Nu Nu   1  (m/s) (m/s) 1 2 v 1 2 (W/m.K) (W/m.K) (W/m2.K) (W/m2.K) 0.286 2.11 4.53 2.94 87 76 0.6770 0.6308 4186 3425 0.429 2.13 4.70 3.00 86 104 0.6765 0.6284 4159 4689 0.613 0.572 2.16 4.87 3.07 86 131 0.6760 0.6260 4129 5838 0.715 2.17 4.87 3.09 85 156 0.6758 0.6260 4120 6968 0.286 2.09 4.42 2.83 101 77 0.6773 0.6324 4892 3468 0.429 2.11 4.59 2.95 100 105 0.6770 0.6300 4839 4724 0.735 0.572 2.12 4.75 3.00 100 131 0.6768 0.6276 4815 5893 0.715 2.13 4.87 3.04 99 156 0.6765 0.6260 4794 6994 0.286 2.09 4.37 2.82 121 77 0.6773 0.6332 5853 3477 0.429 2.13 4.59 2.96 119 105 0.6766 0.6300 5772 4719 0.919 0.572 2.13 4.70 2.99 119 132 0.6765 0.6284 5754 5904 0.715 2.15 4.81 3.04 119 157 0.6763 0.6268 5729 7008 0.286 2.02 4.27 2.75 135 77 0.6788 0.6347 6535 3509 0.429 2.03 4.53 2.80 134 106 0.6785 0.6308 6499 4792 1.042 0.572 2.05 4.70 2.93 133 132 0.6780 0.6284 6422 5939 0.715 2.07 4.81 2.96 132 158 0.6778 0.6268 6399 7055 * 4.5. Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết K1 : * Bảng 13 Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết K1 ở ống B K * w (m/s) w (m/s) 1  1 1 2 (W/m2.K) (W/m2.K) (W/m.K) 0.286 6357 5004 159 0.429 6313 6331 173 0.613 0.572 6285 7484 181 0.715 6259 8513 188 0.286 7051 4969 168 0.429 7016 6303 184 0.735 0.572 7014 7487 195 0.715 6997 8535 202 0.286 8035 4951 180 0.429 7970 6256 197 0.919 0.572 7949 7409 210 0.715 7924 8438 218 0.286 9357 4921 193 0.429 9337 6261 215 1.195 0.572 9332 7437 230 0.715 9321 8490 242 Trang 9
6. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống * Bảng 16 Kết quả tính toán K1 và Kl theo chế độ chảy ở ống C K * K w (m/s) w (m/s) Re Re 1 1 1 2 1 2 (W/m.K) (W/mK) 0.286 24554 10879 108 34 0.429 24283 15804 120 63 0.613 0.572 24018 20427 127 67 0.715 23888 25533 133 84 0.286 29630 11121 119 52 0.429 29465 16144 133 63 0.735 0.572 29301 20852 142 66 0.715 29140 25533 148 82 0.286 37038 11246 131 43 0.429 36525 16144 147 64 0.919 0.572 36425 21072 159 84 0.715 36225 25797 167 104 0.286 43439 11464 138 58 0.429 43188 16319 158 72 1.042 0.572 42695 21072 171 79 0.715 42453 25797 180 98 * 4.7. Đồ thị K1 và K1 theo Re: Ống B 200 K 180 K1 m / K1* W 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 Re * 3 Hình 1 Đồ thị K1 và K1 theo Re2 khi lưu lượng dòng nóng là 0.2 ft /ph Trang 11
7. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống 300 K K1 m / 250 K1* W 200 150 100 50 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 Re * 3 Hình 4 Đồ thị K1 và K1 theo Re2 khi lưu lượng dòng nóng là 0.39 ft /ph Ống C 140 K K1 m / 120 K1* W 100 80 60 40 20 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 Re * 3 Hình 5 Đồ thị K1 và K1 theo Re2 khi lưu lượng dòng nóng là 0.20 ft /ph Trang 13
8. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống 200 K 180 K1 m / K1* W 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 Re * 3 Hình 8 Đồ thị K1 và K1 theo Re2 khi lưu lượng dòng nóng là 0.34 ft /ph 5. BÀN LUẬN : Câu 1 : Tổn thất nhiệt có đáng kể không. Tại sao? Từ kết quả tính tóan, ta thấy tổn thất nhiệt khá lớn, trong đó tổn thất nhiệt ở ống B nhìn chung cao hơn tổn thất nhiệt ở ống C. Nguyên nhân: - Tổn thất nhiệt là do sự mất nhiệt của dòng lưu chất ra môi trường ngòai, có thể thấy là lớp cách nhiệt của thiết bị không đựơc tốt. - Nhiệt không chỉ bị mất mát ra môi trường ngòai mà còn bị giữ lại một phần ở vách kim loại. - Ngòai ra do lưu lượng lưu chất không ổn định gây mất ổn định trong quá trình truyền nhiệt. - Ống B tổn thất nhiệt nhiều hơn ống C do dòng lưu chất trong ống B tiếp xúc với nhau theo phương ngang làm giảm thời gian tiếp xúc giữa hai dòng hơn là hai dòng chảy song song như trong ống C. Mặc khác, là do hiện tượng rò rỉ đường ống B trong thí nghiệm. Câu 2 : Mức độ sai số, nguyên nhân gây ra sai số trong lúc thí nghiệm? Biện pháp khắc phục? Mức độ sai số khá lớn >15%. Do nhiều nguyên nhân gây ra: - Lưu lượng dòng nóng và dòng lạnh đi vào hai ống không ổn định do đó không thể đảm bảo vận tốc vào không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm Trang 15
9. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống 6.2. Kính thước hình học đặc trưng của các loại ống: Lưu chất chuyển động qua tiết diện tròn: dtđ = dtr. Lưu chất chuyển động qua tiết diện không tròn, dtđ được tính theo công thức: 4F d tđ  F: diện tích mặt cắt (tiết diện ngang mà dòng lưu chất chuyển động qua), m2. : chu vi tiết diện ướt (chu vi mà chất lỏng tiếp xúc với bềm mặt trao đổi nhiệt), m Ống B: Dòng lạnh: F = 0.925x(0.026 – 0.016) = 9.25x10-3 (m2). dtđ = d1ng = 0.016 (m). Dòng nóng: dtđ = dtr = 0.014(m). 0.0142 F 1.54x10 4 (m 2 ) 4 Ống C: Dòng lạnh: (0.0262 0.0162 ) F 3.3x10 4 (m 2 ) 4 dtđ = d2tr - d1ng = 0.026 - 0.016 = 0.010 (m). Dòng nóng: 0.0142 F 1.54x10 4 (m 2 ) 4 dtđ = dtr = 0.014(m) 6.3. Tính nhiệt lượng Q: Nhiệt lượng QN của dòng nóng truyền cho dòng lạnh và nhiệt lượng QL dòng lạnh nhận được được tính theo công thức: Q = G.C.(tv – tr) G: Lưu lượng của lưu chất, kg/s C: Nhiệt dung riêng trung bình của lưu chất, J/kg.độ 0 tv, tr: nhiệt độ vào và ra của lưu chất, C Thực tế dòng lạnh không nhận toàn bộ nhiệt lượng do dòng nóng truyền qua mà sẽ có một phần nhiệt bị mất mát, ta có cân bằng nhiệt lượng: G1C1(tv1- tr1) = G2C2(tr2 – tv2) + Q G1, G2: lưu lượng dòng nóng và lạnh, kg/s. C1, C2: nhiệt dung riêng trung bình của hai dòng nóng và dòng lạnh, J/kg.K. 0 tv1, tR1: nhiệt độ vào và ra của dòng nóng, C. 0 tv2, tR2: nhiệt độ vào và ra của dòng lạnh, C. Trang 17
10. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Truyền nhiệt ống lồng ống C và toàn bộ dòng nóng ở hai kiểu ống, Re nằm trong khoảng giá trị Re > 104 nên sử dụng công thức sau: 0,25 0,8 0,43 Pr Nu 0,021.Re .Pr Prv Từ các kết quả tính chuẩn số Nu có được, tra nước ta sẽ tính được hệ số cấp nhiệt cho từng dòng đối với từng kiểu ống. Chuẩn số Pr được tra theo nhiệt độ trung bình của dòng nóng và dòng lạnh, chuẩn số Prvách được tra theo nhiệt độ trung bình của vách kim loại. Nhiệt độ trung bình của vách kim loại bằng nhiệt độ trung bình của dòng lạnh và dòng nóng. * 6.8. Tính hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết K1 : Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết đối với từng loại ống được tính theo công thức sau: K * 1 1 d 1 r ln ng b 1dtr 2 dtr 2 d ng db dng, dtr: đường kính ngoài và trong của ống truyền nhiệt, m. : hệ số dẫn nhiệt của ống, W/mK. rb: nhiệt trở của lớp cáu. db: đường kính lớp cáu, m. Từ các giá trị của từng chế độ chảy của từng loại ống ở trên, lấy  = 384W/m.K cho ống truyền nhiệt làm bằng đồng đỏ, ta tính được các giá trị K* tương ứng. 7. TÀI LIỆU THAM KHẢO : [1]. Tập thể CBGD Bộ môn Máy – Thiết bị, Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị, ĐH Bách khoa TP.HCM, 2003. [2]. Phạm Văn Bôn – Vũ Bá Minh – Hoàng Minh Nam, Ví dụ và bài tập – tập 10, ĐH Bách khoa TP.HCM. [3]. Nguyễn Bin và các cộng sự, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, NXB Khoa học – Kỹ thuật. [4]. Bảng tra cứu Quá trình cơ học truyền nhiệt-truyền khối, ĐH Bách khoa TP.HCM, 2004. Trang 19