Báo cáo Thí nghiệm môn Quá trình thiết bị - Truyền nhiệt đối lưu
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
LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM ...................................................................................................3
1. Phương trình cân bằng nhiệt:....................................................................................................4
2. Hệ số truyền nhiệt tổng quát:.....................................................................................................5
4. Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ:..................................................................................7
1. Thiết bị thí nghiệm ....................................................................................................................8
2. Phương pháp thí nghiệm...........................................................................................................9
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ......................................................................................................10
V. BÀN LUẬN ..................................................................................................................................15
PHỤ LỤC.................................................................................................................................19
I.
TRÍCH YẾU
1. Mục đích
-
-
Giúp sinh viên củng cố kiến thức lý thuyết 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 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. Nội dung và yêu cầu thí nghiệm
a. Nội dung
Ở bài thí nghiệm này, cần đo các đại lượng sau
-
-
Nhiệt độ vào và ra của dòng lạnh (nước chảy trong ống)
Nhiệt độ vách ngoài của ống truyền nhiệt (thành ống phía hơi nước ngưng tụ) tại các
vị trí tương ứng với đầu vào và đầu ra của dòng lạnh.
-
-
-
Nhiệt độ, lượng nước ngưng tụ chảy ra và thời gian đo lượng nước ấy.
Lượng nước chảy trong ống đứng và thời gian đo lượng nước ấy.
Áp suất hơi bão hoà ngưng tụ trong buồng thí nghiệm.
b. Yêu cầu
-
-
-
Sinh viên phải nắm vững lý thuyết và hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động của thiết bị
cũng như phương pháp thí nghiệm trước khi tiến hành thí nghiệm.
Thí nghiệm phải có ít nhất 4 người thực hiện để vận hành thiết bị và đo các đại lượng
cần thiết.
Nếu vì lý do nào đó không thực hiện được đầy đủ các bài thí nghiệm theo yêu cầu của
bài thí nghiệm thì tối thiểu phải thí nghiệm với vị trí tấm chảy tràn ở các mức: 0; ½; 1;
1 ½.
-
Thí nghiệm phải tiến hành ở chế độ truyền nhiệt ổn định.
3. Sơ lược phương pháp thí nghiệm
-
-
-
-
Chuẩn bị dụng cụ và điều kiện thí nghiệm.
Chuẩn bị cấp nước lạnh
Chuẩn bị cấp hơi nước
Tiến hành thí nghiệm
-
-
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
40
3/4
41
1
1 1/2
40
t1 o C
1
2
42
40
t2 o C
111
86
112
72
112
67
112
63
114
58
t3 o C
3
t4 o C
4
111
209
240
11
110
206
239
11
110
209
239
11
109
209
239
10,5
12
109
211
242
10,5
12
Nhiệt độ theo
T
o F
5
1
Nhiệt độ theo T2 o F
6
Áp suất theo P PSI
1
7
Áp suất theo P PSI
2
8
12
11,5
32
12,5
24
Lượng nước ngưng ml
9
35
25
41
Thời gian đo lượng nước ngưng
s
10
11
12
13
60
46
40
36
52
Nhiệt độ nước ngưng tC' o C
66
68
52
45
58
Lượng nước chảy trong ống ml
470
60
365
30
450
30
530
30
600
28
Thời gian đo lượng nước chảy trong ống
s
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
-
Dòng nước lạnh chảy trong ống đứng (gọi tắt là dòng lạnh) được thực hiện với 2 chế
độ chảy: chuyển động tự nhiên và chuyển động cưỡng bức.
-
Sơ đồ cơ chế truyền nhiệt đối lưu được biểu diễn ở hình 1.
•
v ,c : bề dày thành ống và bề dày màng nước ngưng tụ, m.
•
•
•
•
•
•
dtr ,dng : đường kính trong và ngoài, m.
F , Fng : diên tích bề mặt bên trong và bên ngoài ống đứng có chiều cao H.
tr
tS : nhiệt độ hơi nước bão hoà, o C
tN : nhiệt độ trung bình của nước trong ống, o C
tv ,tv : nhiệt độ trung bình của vách trong và vách ngoài ống, o C
tr
ng
C ng : hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ (phía trên lưu chất bên ngoài),
W / m2 K
•
N tr : hệ số cấp nhiệt phía nước lạnh (phía lưu chất trong ống), W / m2 K
•
q : mật độ dòng nhiệt truyền qua vách, W / m2 K
1. Phương trình cân bằng nhiệt:
-
Nhiệt lượng dòng nước lạnh nhận được:
Q1 = GNCPN(t3 – t1), W
(1)
(2)
-
Nhiệt lượng tỏa ra khi hơi nước ngưng tụ:
Q2 = GC[r + CPC(tS - tC )], W
-
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:
•
•
•
GN, GC : lưu lượng khối của dòng nước trong ống và dòng nước ngưng tụ, kg/s
t1, t3 : nhiệt độ đầu và cuối của dòng nước chảy trong ống, oC
tS
: nhiệt độ hơi nước bão hòa ngưng tụ ở áp suất thí nghiệm, oC
: nhiệt độ trung bình của nước ngưng tụ, oC
tS t 'C
•
tC
tC
,o C
(4)
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
•
CPN
: nhiệt dung riêng của nước chảy trong ống, xác định ở nhiệt độ trung bình của
t1 t
nước, J/kg.K
tN
3 ,o C
(5)
2
•
CPC
r
: nhiệt dung riêng của nước sau khi ngưng tụ ở nhiệt độ tC , J/kg.K
: 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 - tN )Ftr, W
Q'1
tr
,W / m2 K
(6)
(7)
(tVtr tN )F
tr
Q’2 = qngFng = ng(tS - tVng)Fng, W
Q'2
ng
,W / m2 K
(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:
t2 t
tVtr tVng
4 ,o C
(8)
2
•
•
tVtr ,tVng : nhiệt độ trung bình tại vách trong và vách ngoài ống truyền nhiệt, oC
t2, t4 : nhiệt độ tại thành ngoài ở đầu vào (đầu dưới) và đầu ra (đầu trên) của ống, oC
2. Hệ số truyền nhiệt tổng quát:
Q
K
,W / m2 K
(9)
F tlog
tr
•
Q : nhiệt lượng tính theo công thức (1)
(tS t3 ) (tS t1)
t log
, K
(10)
(tS t3 )
ln
(tS 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
Gr
số
:
Re2,5
wdtr
4GN
Ở đây: Re
(11)
dtr
Với:
• w : 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 tự nhiên
- Hệ số cấp nhiệt N (hay tr) ở trường hợp đối lưu tự nhiên được xác định từ chuẩn số
Nusselt (Nu):
0,75
Gr Pr dtr
H
1
Nu
1 exp 16
(12)
32
H
dtr Gr Pr
-
Trong đó:
N dtr N dtr
Nu
Gr
gdt3r t
2
t tVtr tN
v
Pr=
a
t1 t3
- Các thông số vật lý của nước được xác định ở nhiệt độ trung bình: tN
, oC
2
b. Trường hợp đối lưu cưỡng bức
dtr
-
Ở chế độ chảy màng (Re < 2300) với RePr
10 :
H
1/3
0,14
dtr
H
Nu 1,86 Re.Pr.
(13)
V
tr
t1 t
2
• Các thông số vật lý được xác định ở nhiệt độ trung bình tN
được xác định ở nhiệt độ trung bình của vách trong tV
3 ,o C . Riêng V
tr
.
tr
dtr
H
-
Ở chế độ chuyển tiếp (2300 < Re < 10000) với 0,7 < Pr < 120 và
> 50 :
1
Nu 0,023Re0,8Pr3
(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
f (Re)
0,14
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
M
2,2 2,3 2,5
3
3,5
4
5
6
7
8
9
10
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
2
3
gr CC
S
0,943
(16)
C
C Ht
m
t2 t
4
-
-
Ở đây: t tS tVng tS
, K
2
tS tVng
o
Các thông số vật lý được xác định ở nhiệt độ trung bình tm
được xác định ở nhiệt độ tS đối với hơi nước bão hòa.
, C. Riêng rS
2
-
Công thức (16) có thể biến đổi về phương trình tiêu chuẩn đồng dạng sau:
0,25
3
C H
C
gH
C
C
CCPC
r
S
NuC
0,943
.
.
2
C (t t )
C
PC
S
Vng
m
=
0,943(GaC .PrC .K)0m,25 0,943(Ko )0m,25
(17)
-
-
Ở đây:
rS
CPC (tS tVng
K =
là chuẩn số đồng dạng của Kutalelagze.
)
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
S
V
S
V
NuC* 0,42(Ga.Pr.K)0S,28
0,42(Ko )0S,28
(18)
ng
ng
-
Khác với công thức (16) ở đây các thông số vật lý được xác định ở nhiệt độ tS. Riêng
t2 t
Pr xác định ở nhiệt độ trung bình của vách ngoài tV
4 ,o C .
Vng
ng
2
III.
DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
1. Thiết bị thí nghiệm
-
Ở thiết bị thí nghiệm, quá trình truyền nhiệt xảy ra tren ống đồng đặt đứng với kích
thước như sau:
• Chiều cao
:
:
H 60,96cm 0,61m
• Đường kính ngoài
dng 15,8mm 0,0158m
• Đường kính trong
:
dtr 13,8mm 0,0138m
• Bề dày thành ống
:
1mm 0,001m
• Hệ số dẫn nhiệt của ống đồng
: 1272W / m K
v
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 V8 cấp nước
cho nồi đun và khoá van V8 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 V6 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:
• Lượng nước ngưng tụ chảy ra trong một khoảng thời gian nhất định và nhiệt độ nước
ngưng tụ.
• Lượng nước chảy trong ống trong một khoảng thời gian nhất định.
• Nhiệt độ t1, t2, t3, t4 (đồng hồ hiện số)
• Áp suất trong nồi hơi (áp kế P1)
• Nhiệt độ của hơi trong nồi hơi (đồng hồ đo nhiệt độ T2)
• Nhiệt độ nước trong nồi hơi (đồng hồ đo nhiệt độ T1)
• Áp suất hơi đo bằng đồng hồ đo áp suất P2
• Nhiệt độ hơi vào buồn ngưng tụ đo bằng đồng hồ nhiệt độ T3.
• Trong khi đo thường xuyên quan sát mức nước ở bình chảy tràn và mức nước trong
nồi hơi.
c. Ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác
-
Sau khi đo xong, ngắt điện cấp cho nồi hơi, đóng các van V6, V7, mở van xả hơi S5.
Nạp nước vào bình. Mở van V8 cấp nước cho nồi hơi rồi khoá V8 lại, khoá van xả hơi
S5.
-
-
Khoá van xả hơi V1, mở vòi xả S4 để xả hết nước nóng rồi khoá vòi S4 lại.
Chuyển vị trí tấm chảy tràn theo yêu cầu của thí nghiệm tiếp theo và lặp lại quy trình
thao tác như ở thí nghiệm trước.
-
Các thí nghiệm được tiến hành với cá vị trí ống chảy tràn như sau:
• Vị trí “0”: đối lưu tự nhiên
• Vị trí ¼, ½, 1 và 1 ½ (inch): đối lưu cưỡng bức.
d. Kết thúc thí nghiệm
Trình tự thao tác kết thúc thí nghiệm
-
-
-
-
Ngắt cầu dao điện cho nồi hơi
Ngắt điện cho đồng hồ đo nhiệt độ hiện số
Khoá van nguồn nước
Khoá và mở các van đúng như hiện trạng trước khi làm thí nghiêm.
IV.
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Bảng 3: Xử lý sơ bộ kết quả
Vị trí tấm chảy tràn
STT
Các đại lượng đo
0
1/2
40
3/4
1
1 1/2
40
t1 o C
1
42
41
40
t2 o C
2
3
4
5
6
7
111
86
112
72
112
67
112
63
114
58
t3 o C
t4 o C
111
110
110
109
109
tc' o C
66
68
52
45
58
P bar
S
1,7585
115,0
1,7585
115,0
1,7585
115,0
1,7240
114,5
1,7240
114,5
ts o C
t1 t
o
tN
3 , C
8
64
56
54
51,5
49
2
t2 t
o
tV
4 , C
9
111
111
111
111
111
111
110,5
110,5
111,5
111,5
ng
2
tV tV o C
10
tr
ng
ts t
Vng
o
11
12
113
113
113
112,5
113
tm
, C
2
tS tC'
o
90,50
47
91,50
55
83,50
57
79,75
59
86,25
62,5
tC
, C
2
t t t , K
13
14
15
Vtr
Vng
G kg / s
N
G kg / s
C
0,007685 0,011987 0,014793 0,017444 0,021182
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
CPN J / kg K
0
1/2
3/4
1
1 1/2
4180
0,648
4184
0,6666
4180
4180
4180
0,6496
W / m K
0,6546
0,6524
kg / m3
981,1
4,78
985,2
5,48
986,2
6,02
987,4
6,19
988,5
5,88
Nước
chảy
trong
ống
107 m2 / s
104 K1
5,500
4,418
2,535
0,6851
948,2
0,2485
4230
5,020
5,064
2,535
0,6851
948,2
0,2485
4230
4,880
5,146
2,535
0,6851
948,2
0,2485
4230
4,710
5,360
2,548
0,6851
948,6
0,2498
4230
4,530
5,588
2,522
0,6851
948,2
0,2485
4230
104 N s / m2
104 N s / m2
tr
W / m K
kg / m3
N s / m2
C m2 / s
C
C
Nước
ngưng
tụ
C
C 103 J / kg K
0,6855
0,6855
0,6855
0,6855
0,6855
PC
W / m K
S
1,505
1,565
946,6
4230
1,505
1,565
946,6
4230
1,505
1,565
946,6
4230
1,512
1,573
947
1,512
1,558
947
PrS
Pr
Vtr
S
4230
4230
Hơi
nước
CPS J / kg K
2221
2221
2221
2222,3
2222,3
Bảng 5: Tính toán nhiệt lượng, xác định nhiệt tổn thất
Vị trí tấm chảy tràn
0
1/2
3/4
1
1 1/2
Q W
1
1414,82
1285,77
-129,05
-9,12
1603,37
1530,55
-72,82
-4,54
1607,70
1339,35
-268,35
-16,69
1677,03
1560,74
-116,30
-6,93
1593,77
1750,74
156,97
9,85
Q W
2
Q W
Q %
Bảng 6: Tính toán hệ số truyền nhiệt
Vị trí tẩm chảy tràn
Các đại lượng
0
1/2
3/4
1
1 1/2
2,81
1,57
3,20
1,57
3,32
1,57
3,46
1,57
3,62
1,56
Pr
Pr
Vtr
Trao đổi
Re
1511,99
2,92
2048,43
2,37
2298,93
1,98
2632,84
1,87
3361,24
2,11
nhiệt
phía
nước
chảy
trong
ống
Gr
NuN
10,36
8,55
8,90
18,95
23,39
N TT
500,65
1138,27
1692,97
405,36
1102,33
1692,97
420,78
1066,53
1692,97
891,99
1074,81
1691,36
1098,35
964,24
W / m2 K
N TN
W / m2 K
C TT
Trao đổi
nhiệt
phía
nước
1819,48
W / m2 K
C TN
10616,14 12637,20 11058,54 12886,42 19273,63
W / m2 K
ngưng tụ
Nu
C TT
1507,39
1414,82
47,66
1507,39
1603,37
57,52
1507,39
1607,70
60,07
1505,95
1677,03
62,29
1620,03
1593,77
65,09
Q Q ,W
1
Truyền
nhiệt
tổng
tlog , K
KTT ,W / m2 K
KTN ,W / m2 K
386,38
1122,46
327,05
1053,96
337,02
1012,10
584,00
1017,97
684,90
925,93
quát
KT' T ,W / m2 K
KT' T / KTT
386,27
326,97
336,93
583,73
684,53
0,99970
0,99974
0,99974
0,99954
0,99946
Hình 2: Đồ thị biểu diễn mỗi quan hệ NuN Re
025
020
015
010
005
000
1,000
1,800
2,600
3,400
Re
Hình 3: Đồ thị biểu mối quan hệ Ktt Re
800
600
400
200
000
000
1,000
2,000
3,000
4,000
Re
Hình 4: Mối tương quan
N TN
N TT
1,400
1,100
800
aNTT
aNTN
Linear (aNTT)
Linear (aNTN)
500
200
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Re
Hình 5: Mối tương quan
C TN
C TT
25,000
20,000
15,000
10,000
5,000
aCTT
aCTN
Linear (aCTT)
Linear (aCTN)
000
000
1,000
2,000
3,000
4,000
Re
Hình 6: Mối tương quan KTT KTN
1,200
1,000
800
Ktt
Ktn
600
Linear (Ktt)
Linear (Ktn)
400
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
-4,54
3/4
1
1 1/2
9,85
DQ(%)
-9,12
-16,69
-6,93
-
Ta thấy độ tổn thất nhiệt đối với 4 vị trí ban đầu là tương đối nhỏ, trừ vị trí ¾ là trên
10%. Riêng vị trí thứ 5 thì độ tổn thất nhiệt dương, vì lượng nhiệt toả ra do hơi nước
ngưng tụ lớn hơn lượng nhiệt mà nước lạnh nhận được.
➢ Câu 3: Nhận xét và giải thích về ảnh hương của vị trí tấm chảy tràn lên các hệ số
tr ,ng , K
-
-
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.
Nu càng tăng (công thức (13)) (N)TT càng tăng.
-
Theo tính toán của nhóm: do sai số thao tác khi thí nghiệm, số liệu thu được không
hợp lý làm cho giá trị (N)TT không theo quy luật tăng giảm và (N)TT ở vị trí tấm chảy
tràn ½ là cao nhất.
-
-
Theo lý thuyết:
Khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì (N)TN nhìn chung càng giảm vì: ngoại trừ vị trí
tấm chảy tràn đầu tiên (đối lưu tự nhiên) thì ở các vị trí tấm chảy tràn cao hơn (đối lưu
cưỡng bức), nhiệt lượng mà dòng lạnh nhận được thay đổi không đáng kể, còn
t tVtr tN thì càng tăng (do hiệu quả truyền nhiệt giảm) nên theo công thức (6)
tr càng giảm.
-
Theo tính toán của nhóm: do sai số thao tác khi thí nghiệm, số liệu thu được không
hợp lý làm cho giá trị (N)TN không theo quy luật tăng giảm và (N)TN ở vị trí tấm
chảy tràn ½ là cao nhất.
-
-
Theo lý thuyết:
Khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì C càng tăng. Do nhiệt lượng mà dòng nóng tỏa
ra càng tăng và tVng cũng tăng nên theo công thức (7) ng tăng.
Q'2
ng
, W/m2.K
(tS tVng )Fng
-
-
Do sai số thao tác khi thí nghiệm, làm cho các giá trị tăng giảm không theo quy luật
trên.
Giải thích vị trí tấm chảy tràn với KTT
• Theo lý thuyết:
Khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì KTT càng tăng. Do (N)TT và (C)TT cũng tăng.
•
1
(N )TT (C )TT
(N )TT (C )TT
KTT
, W/m2.K
1
1
(N )TT (C )TT
-
Giải thích vị trí tấm chảy tràn với KTN
Q
K
,W / m2 K
F tlog
tr
• 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
V
V
-
Ảnh hương của nhiệt trở
là không đáng kể.
Kt't
Ktt
-
Ta thấy tỉ lệ
1 nên có thể bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt trở
➢ Câu 6: Nhận xét về độ tin cậy của kết quả thí nghiệm, ước lượng sai số và nêu
những nguyên nhân sai số.
-
Độ tin cậy của thí nghiệm
• Độ tin tin cậy của bài thí nghiệm này là không cao do yêu cầu là phải thực hiện ở chế
độ truyền nhiệt ổn định.
• Hệ thống vận hành có thể dẫn đến sai số khi không xác định chính xác thời điểm lấy
kết quả.
• Điều chỉnh sự ổn định chỉ mang tính tương đối.
-
Ước lượng sai số
Bảng 8: Sai số trong tính toán Nu
Re
1511,99 2048,43 2298,93 2632,84 3361,24
NuN
Nu*N
10,36
6,92
8,55
11,43
2,88
8,90
13,53
4,63
18,95
16,34
-2,61
23,39
22,46
-0,94
-3,44
Nu
Nu
NuN
100
-33,22
33,73
52,03
-13,79
-4,00
• Ta thấy sai số là tương đối lớn chứng tỏ độ tin cậy thí nghiệm không cao
Bảng 9: Sai số trong tính toán hệ số truyền nhiệt
Re
1511,99 2048,43 2298,93 2632,84 3361,24
Ktt
Kt*t
386,38
296,24
-90,14
327,05
400,95
73,90
337,02
449,85
112,83
584,00
515,03
-68,97
684,90
657,21
-27,69
K
K
Ktt
*100
-23,33
22,60
33,48
-11,81
-4,04
• So với thí nghiệm trước thì sai số thế này đã giảm bớt đi phần nào.
Nguyên nhân sai số
-
• 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.
VI.
PHỤ LỤC
1. Xử lí sơ bộ kết quả đo
-
-
Đổi nhiệt độ:
5
o
o
t C t F 32
9
V
t
Lưu lượng thể tích GV
•
•
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 t3
tN
(bảng 3). Riêng Vtr được xác định ở nhiệt độ tVtr tVng .
2
Tra ở bảng 1.249, p310, [1].
-
Các thông số của nước ngưng tụ ở áp suất thí nghiệm: CPC, C, C, C, C, CPS, S, S,
PrS, Prvtr
tS tVng
• Các thông số có chỉ số “c” xác định ở nhiệt độ trung bình tm
(bảng 3).
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 1.249, p310, [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 1.251, p314, [1].
3. Tính toán nhiệt lượng
-
-
-
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
4. 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.
5. Tính toán hệ số cấp nhiệt tổng quát
-
-
Hệ số truyền nhiệt tổng quát được tính theo công thức:
(N )TT (C )TT
(N )TT (C )TT
1
KTT
, W/m2.K
(19)
1
1
(N )TT (C )TT
Ở đây: KTT là hệ số truyền nhiệt tổng quát (tính theo (N)TT và (C)TT, bỏ qua ảnh
V
V
hưởng của nhiệt trở thành ống
.
-
-
Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN được tính theo công thức (9), trong đó Q = Q1.
V
V
Tính hệ số truyền nhiệt có kể đến ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống
:
Tải về để xem bản đầy đủ
21 trang
14480
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo Thí nghiệm môn Quá trình thiết bị - Truyền nhiệt đối lưu", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bao_cao_thi_nghiem_mon_qua_trinh_thiet_bi_truyen_nhiet_doi_l.docx
- ~$áo cáo.docx
- ~$ĐL - Bìa.docx
- TNĐL - Bìa.docx
TNĐL - Số liệu.xlsx
