Thí nghiệm Quá trình và Thiết bị - Bài: Mạch lưu chất - Lê Thụy Trà My

Nội dung text: Thí nghiệm Quá trình và Thiết bị - Bài: Mạch lưu chất - Lê Thụy Trà My

1. I. TRÍCH YẾU : 1. Mục đích thí nghiệm: - Giúp sinh viên củng cố kiến thức về sự truyền nhiệt đối lưu. - 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. - 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. - So sánh hệ số cấp nhiệt và hệ số truyền nhiệt lý thuyết với hệ số cấp nhiệt và truyền nhiệt thực nghiệm. - Thiết lập cân bằng nhiệt lượng trong quá trình trao đổi nhiệt đối lưu. 2. Phương pháp thí nghiệm: 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. 3. Kết quả thí nghiệm Vị trí tấm chảy tràn (inch) STT Các đại lượng đo 0 1/2 3/4 1 11/2 0 1 t1 ( C) 40 42 41 40 40 0 2 t2 ( C) 107 112 113 110 108 0 3 t3 ( C) 78 72 74 68 50 0 4 t4 ( C) 102 109 102 108 95 0 5 Nhiệt độ theo T3 ( F) 210 210 210 210 210 0 6 Nhiệt độ theo T2 ( F) 226 204 232 234 234 7 Áp suất theo P3 (PSI) 11 11 11 11 11 8 Áp suất theo P2 (PSI) 10 9.5 10 10.5 9.5 9 Lượng nước ngưng (ml) 60 62 85 63 34 10 Thời gian đo lượng nước ngưng(s) 190 180 182 120 129 0 11 Nhiệt độ nước ngưng t'C ( C) 60 62 65 62 60 12 Lượng nước chảy trong ống (ml) 820 1130 810 820 810 13 Thời gian đo nước chảy trong ống (s) 150 93 114 55 40
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 - 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 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:
3. (t t ) (t t ) t log S 3 S 1 , K (10) (t t ) ln S 3 (t S t1 ) 3. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (hệ số cấp nhiệt) phía dòng nước lạnh chảy trong ống ( N hay tr) 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 số Gr : Re2,5 Gr Gr Gr 10-3 10-3 < 10-2 10-2 Re2,5 Re2,5 Re2,5 Gr 10-3 10-2 Dòng lưu chất đối Re2,5 Dòng lưu chất đối Vùng hỗn hợp 2 lưu tự nhiên lưu cưỡng bức dòng đối lưu 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
4. 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) 0,43 Pr Pr PrVtr Giá trị thực nghiệm của M được cho trong bảng 1. 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 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): 0,25 gr 2 3 0,943 S C C (16) C  H t C m t 2 t 4 Ở đây: t t S t Vng t S , K 2 t t S Vng o Các thông số vật lý được xác định ở nhiệt độ trung bình t , C. Riêng rS được m 2 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:
5. 5) Kiểm tra nguồn điện, nguồn nước và các dụng cụ đo trên thiết bị thí nghiệm. b) Chuẩn bị cấp nước lạnh : 1) Khóa các van V1, V4, S1 và mở các van V2 và V5. 2) Điều chỉnh tấm chảy tràn ở vị trí mong muốn theo yêu cầu của bài thí nghiệm. 3) Mở van V1 và điều chỉnh để giữ mực nước ổn định ở bình chảy tràn. c) Chuẩn bị cấp hơi nước : 1) Khóa các van: S1, S3, S5, V3, V6, V8. 2) Mở van S4 xả hết nước ngưng dư rồi khóa lại. 3) Mở van V7. 4) 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. 5) Đóng van V7. 6) Cấp điện cho bộ điện trở đun nước R1 cho đến khi áp suất trong nồi đun đạt khoảng 15PSI. 7) 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 15PSI, mở hoàn toàn van V7 và mở từ từ van V6 và điều chỉnh để áp suất hơi đi vào buồng thí nghiệm khoảng 10PSI. 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). - Aùp suất hơi đo bằng đồng hồ đo áp suất P3. - Nhiệt độ hơi đi vào buồng ngưng tụ đo bằng đồng hồ đo nhiệt độ T3. * Trong khi đo thường xuyên quan sát mức nước trong bình chảy tràn và mức nước trong nồi hơi. Ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác: 1) Sau khi đo xong, ngắt điện cấp cbo nồi hơi, đóng các van V6, V7, mở van xả hơi S5. Nạp nước vào bình chứa. Mở van V8 cấp nước cho nồi hơi rồi khóa van V8 lại, khóa van xả hơi S5. 2) Khóa van V1, mở vòi xả S4 để xả hết nước nóng rồi khóa vòi S4 lại.
6. 104.5 110.5 107.5 109 101.5 푡푠 + 푡 푛 t = m 2 101.69 104.69 103.19 103.94 100.19 79.44 80.44 81.94 80.44 79.44 45.5 53.5 50 55 56.5 GN (kg/s) 0.00538 0.01196 0.00699 0.01470 0.02005 - - -4 -4 4.464.10 5.015.10 -4 GC (kg/s) 3.022.10 3.288.10 4 4 2.525.10 2. Xác định các thông số phục vụ tính toán Bảng 4 Vị trí tấm chảy tràn (inch) Các thơng số vật lý 0 1/2 3/4 1 11/2 CPN (J/kgK) 4180 4180 4180 4180 4180 λ (W/mK) 0.6579 0.6557 0.6563 0.6524 0.641 Nước ρ (kg/m3) 983.5 984.5 984.3 986 990 chảy 7 2 trong ν .10 (m /s) 4.858 5.014 4.975 5.248 6.08 ống β.104 (1/K) 5.048 4.924 4.955 4.738 4.180 μ.104 (NS/m2) 4.779 4.937 4.898 5.174 6.030 4 2 μtr .10 (NS/m ) 2.703 2.549 2.625 2.586 2.781 λC (W/mK) 0.6833 0.6839 0.6824 0.68379 0.683 3 ρC (kg/m ) 956.81 954.71 955.76 955.24 957.86 4 2 μC .10 (NS/m ) 2.8 2.714 2.757 2.736 2.844 Nước 7 2 νC.10 (m /s) 2.9 2.82 2.86 2.84 2.94 ngưng tụ CPC ( J/kgK) 4230 4230 4230 4230 4230 λS (W/mK) 0.6827 0.6827 0.6827 0.6827 0.6827 PrS 1.772 1.772 1.772 1.772 1.772 PrVng 1.674 1.573 1.623 1.597 1.725
7. (αN)tn hay (αtr)tn 710.08 1060.76 729.94 1183.48 561.11 (W/m2.K) (α ) Trao C tt 20256.83 24477.23 22599.86 23601.9 16670.07 đổi (W/m2.K) nhiệt phía (α ) C tn 4777.54 2508.2 4578.3 4392.57 8578.18 nước (W/m2.K) ngưng tụ (NuC)tt 18083.8 21832.3 20202.1 21054.95 14888.35 Q=Q1 ,W 854 1500 965 1721 838 ∆Tlog, K 36.66 40.03 39.09 43.39 53.73 Truyền 2 nhiệt Ktt ,W/m .K 2269.92 514.5 429.12 849.09 978.58 2 tổng Ktn , W/m .K 881.2 1417.6 933.56 1500.02 590 quát 2 K'tt, W/m .K 555.48 351.34 273.46 504.77 364.32 K'tt/Ktt 0.9982 0.9996 0.9997 0.9993 0.9992 5. Đồ thị
8. Hình 3. Đồ thị biểu diễn mối tương quan (αN)tn và (αN)tt Hình 4. Đồ thị biểu diễn mối tương quan (αC)tn và (αC)tt
9. - Đối với ( tr)tt:ngoại trừ giá trị tại vị trí tấm chảy tràn “0” khi tăng vị trí tấm chảy tràn thì ( tr)tt tăng giảm theo Re do Re cĩ ảnh hưởng tới Nu. - Đối với ( tr)tn : giá trị tăng giảm không ổn định nhưng xét theo từng khoảng thay đổi 1/2 của Re , vị trí “1/2, 3/4” và “1, 1 ” có Re ts). 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 bảng 6 => có 3 giá trị ( N)tn ( N)tt khi tấm chảy tràn ở vị trí “1/2” và “11/2”. * Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ ngoài ống: Dựa bảng 6 ở tất cả các vị trí của tấm chảy tràn thì ( C)tn KTT, có 2 giá trị Ktn < Kttø khi tấm chảy tràn ở vị trí “0” và “11/2”. Giá trị tính toán (lý thuyết) thường lớn hơn giá trị thực nghiệm do có sự mất nhiệt.  V 5. Nhận xét về sự ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống V Vị trí tấm chảy tràn (inch) 0 1/2 3/4 1 11/2 Ktt ,W/m2.K 2269.92 514.50 429.12 849.09 978.58 K'tt, W/m2.K 555.48 351.34 273.46 504.77 364.32 K'tt/Ktt 0.9982 0.9996 0.9997 0.9993 0.9992
10. Áp suất trong buồng thí nghiệm xấp xỉ bằng với P3 PS ≈ P3 tS = T3 V Lưu lượng thể tích : G V t V: thể tích nước đo được (m3) t: thời gian đo (s) V Lưu lượng khối lượng: G = GV. = . t 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 39, p35, [1]. Các thông số của nước ngưng tụ ở áp suất thí nghiệm: CPC, C, C, C, C, CPS, S, S, PrS, Prvtr t S t Vng Các thông số có chỉ số “c” xác định ở nhiệt độ trung bình t (bảng 3). m 2 Các thông số có chỉ số “s” xác định ở nhiệt độ tS. Các thông số có chỉ số “vng” xác định ở nhiệt độ tVng. Tra ở bảng 39, p35, [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 56, p45, [1]. Kết quả xác định các thông số vật lý được đưa vào bảng 4.
11. 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 hưởng  V 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 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 (21) K TT  V  V 1 K TT  V Kết quả tính toán các hệ số truyền nhiệt được đưa vào bảng 6. VII.TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bộ môn Máy và Thiết bị, “ Bảng tra cứu Quá trình cơ học truyền nhiệt-truyền khối”, NXB Đại học quốc gia Tp.HCM, 2008. 2. Phạm Văn Bôn, “Bài tập Truyền nhiệt”, NXB Đại học quốc gia Tp.HCM, 2008