Đề tài Thí nghiệm quá trình thiết bị

TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG MỤC ĐÍCH Làm quen với thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt giữa hai dòng lạnh, nóng ngăn cách bởi vách ngăn kim loại ở chế độ chảy khác nhau Thiết lập cân bằng nhiệt lượng. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Quá trình truyền nhiệt trong thiết bị dạng ống lồng ống là một ví dụ của sự truyền nhiệt phức tạp. Ở đây diễn ra sự trao đổi nhiệt giữa hai lưu chất được ngăn cách bởi vách ngăn kim loại, bao gồm truyền nhiệt đối lưu từ dòng nóng đến vách, dẫn nhiệt qua thành ống kim loại và đối lưu nhiệt giữa dòng lạnh với ống. Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho hai dòng lưu chất Q = G1C1(tV1-tR1) = G2C2(tR2-tV2), W (1) Trong đó: G1, G2: Lưu lượng dòng nóng và lạnh, kg/s. C1, C2: Nhiệt dung riêng trung bình của dòng nóng và dòng lạnh, J/kg.K tV1, tR1: Nhiệt độ vào và ra của dòng nóng, °C tV2, tR2: Nhiệt độ vào và ra của dòng lạnh, °C Phương trình biểu diễn quá trình truyền nhiệt Q = K1.Δtlog.L, W (2) L: Chiều dài ống, m K1: Hệ số truyền nhiệt dài,W/m. °C Δtlog: Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit, °C Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit Δtlog = (3) Trong đó: Δtlon: Hệ số nhiệt độ giữa dòng nóng và dòng lạnh ở đầu vào hoặc ra có giá trị lớn Δtnho: Hệ số nhiệt độ giữa dòng nóng và dòng lạnh ở đầu vào hoặc ra có giá trị bé. Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết, K1* tính trên 1m chiều dài ống K1* = Trong đó: dng, dtr : đường kính ngoài và trong của ống truyền nhiệt, m. λ : hệ số dẫn nhiệt của ống, W/m. °C α1, α2 : hệ số cấp nhiệt, W/m. °C rcau : nhiệt trở của lớp cáu, m2.s0.C/J dcau : đường kính lớp cáu, m Hệ số cấp nhiệt α1, α2 giữa vách ngăn và dòng lưu chất Nu =A.Rem Prn (5) Các hệ số A, m, n, ε1, εR là các hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào các yếu tố sau: Các chế độ chảy của dòng lưu chất Sự tương quan giữu dòng chảy và bề mặt truyền nhiệt Đặc trưng bề mặt truyền nhiệt ( độ nhám, hình dạng, …) THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Hệ thống thiết bị thí nghiệm có hai kiểu kết cấu bề mặt truyền nhiệt như sau: Kiểu A: Loại ống lồng ống mà lưu chất chảy ngang mặt ngoài của ống trong. Hai dòng chảy có phương vuông góc với nhau. Kiểu B (B1, B2): Loại ống lồng ống đơn giản, lưu chất chảy dọc bề mặt ngoài của ống trong. Hai dòng chảy có phương song song với nhau. Kích thước ống: Kiểu ống Đường kính (mm) Chiều dài (mm) Ống trong Ống ngoài A 17/21 30/24 1020 B 17/21 30/24 1020 Sơ đồ hệ thống thiết bị (xem hình): Chú thích: → : Ký hiệu dòng nóng vào và ra. −> : Ký hiệu dòng lạnh vào và ra. A : Bộ trao đổi nhiệt dạng dòng chảy vuông góc. B1 : Bộ trao đổi nhiệt dạng dòng chảy song song ngược chiều. B2 : Bộ trao đổi nhiệt dạng dòng chảy song song cùng chiều. 1A, 1B, 1C : Lần lượt là van cấp nước tổng, van cấp nước cho dòng lạnh, van cấp nước cho bồn gia nhiệt. 2, 3 : Van chỉnh lưu lượng dòng nóng. 4, 5, 6 : Van đóng mở dòng nóng vào các bộ trao đổi nhiệt. 7 : Van chỉnh lưu lượng dòng lạnh. 8, 9, 10 : Van đóng mở dòng lạnh vào các bộ trao đổi nhiệt. 11 : Van xả đáy bồn. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Sau khi chuẩn bị và làm quen với thiết bị ta đo các đại lượng: lưu lượng dòng nóng và dòng lạnh, nhiệt độ vào và ra của các dòng . Trình tự thí nghiệm: Lưu ý : Các van 1A, 1B khi mở chỉ mở 30° - 45°. Khi mở hoặc đóng bất kỳ một van nào sinh viên đều phải xoay thật từ từ, tuyệt đối không được đóng mở đột ngột. Trước khi thí nghiệm tất cả các van đều ở vị trí đóng. Mở van 1A thật từ từ (chỉ xoay một góc khoảng 30°). Đóng van 11. Từ từ mở van 1C cho nước vào đầy bồn chứa, sau đó khóa van và đậy nắp bồn chứa lại. Mở cầu dao nguồn, bật công tắc GUỒN trên hộp điều khiển lên. Bật công tắc GIA NHIỆT lên. Đèn hoạt động màu đỏ sang. Cụm gia nhiệt hoạt động. Sau khi nước trong bồn gia nhiệt sôi ( khoảng từ 30-60 phút), công tắc gia nhiệt tự động ngắt, lúc đó bắt đầu làm thí nghiệm. Mở van 3, bấm nút chạy của BƠM (màu xanh), đèn hoạt động của bơm (màu đỏ) sáng. Mơm ly tâm hoạt động và bơm nước tuần hoàn. Chờ cho hệ thống ổn định, mở một trong các cặp van tương ứng: 4/8, 5/9, 6/10. Điều chỉnh cặp van 2, 3 để điều chỉnh lưu lượng dòng nóng và chỉnh van 7 để điều chỉnh lưu lượng dòng lạnh theo yêu cầu. Chỉ số lưu lượng được đọc trên lưu lượng kế. Chờ khoảng 5-10 phút, khi quá trình đã ổn định, ấn và giữ một nút (màu vàng) cần thiết trong bốn nút trên hộp điều khiển để có nhiệt độ tại vị trí tương ứng. Sau khi đo xong tất cả các thông số cần thiết, tắt công tắc GIA NHIỆT, tiếp theo tắt BƠM, tắt công tắc nguồn CB. Mở nắp bồn gia nhiệt cho nước nguội bớt. Khóa tất cả các van lại. Đợi khi nước đã nguội rồi mở van 11 để xả hết nước trong bồn chứa gia nhiệt. Kết quả thí nghiệm: Bộ trao đổi nhiệt A: Lần Lưu lượng Nóng Lạnh t◦v t◦r t◦v t◦r 1 4 62.8 60.2 29.7 36 6 69.7 62.2 29.8 35.5 8 76.8 64.9 29.9 35.5 2 4 83.2 73.5 30.3 39.3 6 83.7 75 30.3 38.3 8 83.5 75.8 30.3 37.4 3 4 83 75 30.2 37.2 6 83.1 74 30.3 37.5 8 83.2 74.7 30.1 37.5 Ta có bảng giá trị trung bình đối với bộ trao đổi nhiệt A: G1 G2 Nóng Lạnh t◦v t◦r t◦v t◦r 4 4 76.33 69,56 30.06 37.5 6 6 78.83 70.4 30.13 37 8 8 81.166 71.8 30.1 36.8 Bộ trao đổi nhiệt B1: ngược chiều Lần Lưu lượng Nóng Lạnh t◦v t◦r t◦v t◦r 1 4 86.7 72.5 30.1 38.9 6 82.2 72.9 30.3 38.1 8 83.9 75.5 30.2 37.6 2 4 83.1 74.5 30.3 39.7 6 83.2 74.5 30.3 35.5 8 83.1 75.1 30.4 38 3 4 83.1 75 30.3 37.7 6 83 74.7 30.1 35.4 8 83 75.5 30.2 37.5 Ta có bảng giá trị trung bình 3 lần đo đối với bộ trao đổi nhiệt B1: G1 G2 Nóng Lạnh t◦v t◦r t◦v t◦r 4 4 84.3 74 30.23 38.76 6 6 82.8 74.03 30.23 36.33 8 8 83.33 75.36 30.266 37.7 Bộ trao đổi nhiệt B2: cùng chiều Lần Lưu lượng Nóng Lạnh t◦v t◦r t◦v t◦r 1 4 83 74.6 30.2 38.9 6 83.7 75.5 30.3 38 8 83.7 76.1 30.3 37.6 2 4 82.7 74 30.4 38.6 6 83 75 30.4 38.4 8 83.1 75.4 30.4 37.7 3 4 83 74.1 30.3 30.8 6 83 75 30.5 37.5 8 83.2 75.5 30.1 38 Ta có bảng giá trị trung bình 3 lần đo của bộ trao đổi nhiệt B2: G1 G2 Nóng Lạnh t◦v t◦r t◦v t◦r 4 4 82.9 74.23 30.3 36.1 6 6 82.23 75.16 30.4 37.96 8 8 83.33 75.66 30.26 37.76 Tính toán: Nhiệt lượng Q Q = G1C1(tV1-tR1) = G2C2(tR2-tV2), W Đối với dòng nóng của 3 thiết bị A, B1 và B2: Thiết bị G1 tv1 tv2 Cp (j/kg.ñoä) Q1 (w) A 4 76.33 69,56 4203.4 113828 6 78.83 70.4 4203.5 212613 8 81.166 71.8 4203.5 103103 B1 4 84.3 74 4203.5 173184 6 82.8 74.03 4203.5 221188 8 83.33 75.36 4203.5 268015 B2 4 82.9 74.23 4203.5 145777 6 82.23 75.16 4203.5 178312 8 83.33 75.66 4203.5 257926 Đối với dòng lạnh của 3 thiết bị A, B1 và B2: Thiết bị G2 tr1 tr2 Cp (j/kg.ñoä) Q2 (w) A 4 30.06 37.5 4178.4 124349 6 30.13 37 4178.4 167971 8 30.1 36.8 4178.4 223962 B1 4 30.23 38.76 4178.4 142567 6 30.23 36.33 4178.4 152929 8 30.266 37.7 4178.4 248497 B2 4 30.3 36.1 4178.4 96939 6 30.4 37.96 4178.4 189532 8 30.26 37.76 4178.4 250704 Ta có tổn thất nhiệt: Thiết bị Q1 (w) Q2 (w) ∆Q ( W) | Q2 - Q1 | A 113828 124349 10521 212613 167971 44642 103103 223962 120859 B1 173184 142567 30617 221188 152929 68259 268015 248497 19518 B2 145777 96939 48838 178312 189532 11220 257926 250704 7222 Tính Dtlog, K Thiết bị t◦v1 t◦r1 t◦v2 t◦r2 Dtlog K1 A 76.33 69,56 30.06 37.5 41.597 1825.08 78.83 70.4 30.13 37 41.045 3423.03 81.166 71.8 30.1 36.8 43.019 1597.79 B1 84.3 74 30.23 38.76 43.985 2624.89 82.8 74.03 30.23 36.33 44,723 3297.15 83.33 75.36 30.266 37.7 44.922 3977.48 B2 82.9 74.23 30.3 36.1 45.349 2143.03 82.23 75.16 30.4 37.96 44.514 2670.5 83.33 75.66 30.26 37.76 33.597 5118.03 Δtlog = Q = K1.Δtlog.L, W từ đây => K với L= 1020 mm Tính hệ số cấp nhiệt α1 và α2 Tính chế độ chảy của lưu chất bằng chuẩn số Re: Ta có bảng số liệu: Thiết bị t1tb (oC) t2tb (oC) m1.103 (Ns/m2) m2.103 (Ns/m2) l1 (w/mK) l2 (w/mK) A 76.33 30.06 0.3574 0.7089 0.672 0.613 78.83 30.13 0.3543 0.7016 0.675 0.628 81.166 30.1 0.3609 0.6947 0.677 0.629 B1 84.3 30.23 0.3609 0.6685 0.677 0.632 82.8 30.23 0.3436 0.7085 0.676 0.627 83.33 30.266 0.3416 0.7016 0.677 0.628 B2 82.9 30.3 0.3436 0.7085 0.676 0.627 82.23 30.4 0.3521 0.6814 0.675 0.631 83.33 30.26 0.3416 0.7016 0.677 0.628 Bảng Re Thiết bị m1.103 (Ns/m2) d1(m) w1 Re1 m2.103 (Ns/m2) d2(m) w2 Re2 A 0.3574 0.017 299.5 56.98 0.7089 0.017 299.5 28.73 0.3543 0.017 449.4 86.19 0.7016 0.017 449.4 43.53 0.3609 0.017 599.1 112.88 0.6947 0.017 599.1 58.64 B1 0.3609 0.017 299.5 56.43 0.6685 0.017 299.5 30.46 0.3436 0.017 449.4 88.88 0.7085 0.017 449.4 43.10 0.3416 0.017 599.1 119.26 0.7016 0.017 599.1 58.06 B2 0.3436 0.017 299.5 59.27 0.7085 0.017 299.5 28.74 0.3521 0.017 449.4 86.73 0.6814 0.017 449.4 44.82 0.3416 0.017 599.1 119.26 0.7016 0.017 599.1 58.06 Với l = dtd=4d=0.068 m Xác định chuẩn số Nu cho phương chảy ngang kiểu A: Do : 5 < Re < 103 Nên : Với : ν : hệ số nhớt động học của lưu chất, m2/s α : hệ số dẫn nhiệt của lưu chất, m2/s. Thiết bị t◦v1 t◦r1 t◦v2 t◦r2 α1 α2 A 76.33 69,56 30.06 37.5 57.82 53.1 78.83 70.4 30.13 37 57.89 53.1 81.166 71.8 30.1 36.8 58.11 53.1 B1 84.3 74 30.23 38.76 58.25 53.1 82.8 74.03 30.23 36.33 58.17 53.1 83.33 75.36 30.266 37.7 58.21 53.1 B2 82.9 74.23 30.3 36.1 58.20 53.1 82.23 75.16 30.4 37.96 58.20 53.1 83.33 75.66 30.26 37.76 58.21 53.1 Ta có bảng giá trị: Thiết bị Re1 Pr1 Prt1 Nu Re2 Pr2 Prt2 Nu A 56.98 1.88 5.400 3.68 28.73 4.050 5.400 4.24 86.19 1.88 5.400 4.53 43.53 4.450 5.400 5.54 112.88 1.89 5.400 5.20 58.64 4.700 5.400 6.66 Xác định chuẩn số Nu cho phương thức chảy dọc theo than ống kiểu B Thiết bị Re1 Pr1 Prt1 Nu Re2 Pr2 Prt2 Nu B1 56.43 1.92 5.400 3.72 30.46 4.930 5.400 4.94 88.88 1.9 5.400 4.63 43.10 4.400 5.400 5.47 119.26 1.9 5.400 5.36 58.06 4.500 5.400 6.45 B2 59.27 1.91 5.400 3.79 28.74 4.700 5.400 4.66 86.73 1.93 5.400 4.62 44.82 4.850 5.400 5.94 119.26 1.9 5.400 5.36 58.06 4.400 5.400 5.47 Thiết bị t◦v1 t◦r1 t◦v2 t◦r2 ∆t1 ∆t2 A 76.33 69,56 30.06 37.5 38.83 39.5 78.83 70.4 30.13 37 41.83 40.27 81.166 71.8 30.1 36.8 44.366 41.69 B1 84.3 74 30.23 38.76 45,54 43.77 82.8 74.03 30.23 36.33 46.47 43.8 83.33 75.36 30.266 37.7 45.63 45.094 B2 82.9 74.23 30.3 36.1 52.6 38.13 82.23 75.16 30.4 37.96 51.83 37.2 83.33 75.66 30.26 37.76 53.07 37.9 Tính sai số: Thiết bị ∆t1* ∆t2* Pr1 Prt1 α1 α2 Nu1 Nu2 A 15.77 29.62 2.53 2.6 5.397 6.101 0.0108 0.0150 6.72 35.66 2.28 2.35 5.333 6.903 0.0107 0.0170 10 33.98 2.38 2.44 7.401 3.456 0.0148 0.0084 B1 19.73 22.02 2.73 2.79 7.278 5.232 0.0145 0.0129 7.85 34.62 2.17 2.26 7.157 6.196 0.0143 0.0152 10.9 32.59 2.32 2.48 7.064 6.971 0.0141 0.0172 B2 8.07 30.88 2.46 2.52 8.339 3.479 0.0166 0.0085 10.23 30.77 2.59 2.66 7.797 5.285 0.0155 0.0129 12.26 30.21 2.1 2.2 8.032 6.213 0.0160 0.0156 Hệ số truyền dài lý thuyết : K1* = Thiết bị dn dtr α1 α2 Kl* A 34 21 57.82 53.1 3.653 34 21 57.89 53.1 3.635 34 21 58.11 53.1 3.662 B1 34 21 58.25 53.1 3.667 34 21 58.17 53.1 3.669 34 21 58.21 53.1 3.666 B2 34 21 58.20 53.1 3.665 34 21 58.20 53.1 3.665 34 21 58.21 53.1 3.666 Lâp bảng tính K1* và K1 theo Re Thiết bị Re Kl* K1 A 56.98 3653 1825.08 86.19 3635 3423.03 112.88 3662 1597.79 B1 56.43 3667 2624.89 88.88 3669 3297.15 119.26 3666 3977.48 B2 59.27 3665 2143.03 86.73 3665 2670.5 119.26 3666 5118.03 Vẽ đồ thị K1* và K1 theo Re Theo hệ thống A: Đối với hệ thống B1: Đối với hệ thống B2: Bàn luận: Tổn thất nhiệt có đáng kể không tại sao: Tổn thất nhiệt là đáng kể thể hiện ở việc nhiệt lượng mất đi của dòng nóng lớn hơn nhiều so với nhiệt nhận vào của dòng lạnh. Nguyên nhân: Nhiệt lượng truyền cho ống làm ống nóng lên. Tại những vị trí dòng nóng chảy không có dòng lạnh bao quanh có tổn thất do quá trình truyền nhiệt từ dòng nóng qua ống đến môi trường xung quanh do không có bọc lớp cách nhiệt. Trên đường ống do lâu ngày có đóng cặn bẩn cũng góp phần làm tổn hao nhiệt lượng. Tổn thất nhiệt qua các van do van bị rò rỉ sau một thời gian sử dụng. Sai số khi đọc nhiệt độ trong quá trình thí nghiệm làm kết quả tính toán không chính xác. Sự mất mát nhiệt dọc chiều dài ống. Đường đi càng dài lượng nhiệt tổn thất càng nhiều. Đường ống làm bằng đồng không bọc lớp cách nhiệt nên sự tổn hao nhiệt ra môi trường xung quanh cũng nhiều hơn so với những vật liệu khác. Ở đây, sự mất mát nhiệt ở dòng lạnh không đáng kể. Vì tuy có sự truyền nhiệt nhưng nhiệt độ dòng lạnh tăng không đáng kể nên chênh lệch nhiệt độ với ống cũng không đáng kể có thể bỏ qua. Mức độ sai số, nguyên nhân gây ra sai số trong lúc làm thí nghiệm? biện pháp khắc phục: Nguyên nhân gây ra sai số trong quá trình thí nghiệm: Sai số do xác định lưu lượng dòng nóng và lạnh: lưu lượng dòng nóng và dòng lạnh dù đã được điều chỉnh cũng không đạt được trạng thái ổn định tuyệt đối, có lẫn nhiều bọt khí. Sai số do quá trình đọc nhiệt độ: đọc nhiệt độ không cùng thời điểm (chưa có sự cân bằng nhiệt lượng), nhiệt độ không ổn định. Bơm lưu chất hoạt động không ổn định (do điện không ổn định). Sai số do sự rò rỉ lưu lượng chất lỏng trong hệ thống ống: tại những vị trí ống nối, van... không kín chảy nước ra ngoài làm giảm lưu lượng. Sai số do các ống không được bọc lớp cách nhiệt gây thất thoát nhiệt do sự trao đổi nhiệt giữa ống với môi trường bên ngoài. Sai số khi chỉnh van II thay đổi chiều dòng chảy để đo lưu lượng: chỉnh van không hợp với ống góc 450, dòng chảy không được đổi hướng hoàn toàn, một phần dòng nóng sẽ hòa trộn với dòng lạnh gay tổn thất nhiệt. Sai số do nước thí nghiệm không là nước tinh khiết nhưng các thông số được dùng trong tính toán là của nước tinh khiết. Sai số hệ thống do dụng cụ đo không chính xác. Bỏ qua ảnh hưởng của lớp bẩn trên thành ống. Ảnh hưởng của sai số đến sự khác biệt giữa kết quả thực nghiệm và lý thuyết: Dẫn đến sai số dây chuyền trong quá trình tính toán. Từ nhiệt độ đọc ta suy ra Dtlog. Do có sai số dẫn đến Kl, Q sai do: Kl = Q = G.C.Dt Nhiệt độ đọc sai --> tra hệ số l sai --> tính a sai --> sai hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết Kl*. Đồng thời khi tra khối lượng riêng không chính xác dẫn đến sai số khi tính Re làm mất tính chính xác của giản đồ. Biện pháp khắc phục: Thao tác thí nghiệm phải chính xác, chỉnh van II phải đúng và lúc chỉnh phải ấn vào để nước không rò rỉ ra ngoài. Có thể tiến hành thử nhiều lần cho thuần thục trước khi thí nghiệm chính thức. Để đồng hồ đo nhiệt độ, lưu lượng kế đã ổn định mới đọc, đọc chính xác số liệu bằng cách đọc giá trị trung bình trên đồng hồ đo. Nước dùng trong quá trình thí nghiệm càng sạch càng tốt. Kiểm tra vị trí các van trước khi làm thí nghiệm. Thường xuyên vệ sinh đường ống. Tiến hành thí nghiệm lặp lại nhiều lần đề tìm ra giá trị chính xác nhất với sai số nhỏ nhất. So sánh hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm Kl với hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết Kl*: Ở đây Kl và Kl* không giống nhau. Nguyên nhân: Bỏ qua giá trị : không xác định được bề dày của lớp cáu (bẩn) và những ảnh hưởng của nó đối với quá trình truyền nhiệt (bỏ qua K sẽ lớn). Xác định hệ số dẫn nhiệt λ cho ống bằng đồng đỏ nguyên chất nhưng thực tế nguyên liệu làm ống dẫn không nguyên chất. Các giá trị α xác định được luôn mắc phải sai số do tính toán nhiệt độ vách, nhiệt độ lưu chất để xác định các chuẩn số Nu, Pr... Nhiệt lượng tổn thất vẫn chưa bù nổi sai số trong quá trình làm thí nghiệm. Ở đây quá trình truyền nhiệt là phức tạp nhưng khi tính toán chỉ kể đến những ảnh hưởng chính chẳng hạn bỏ qua sự đối lưu tự nhiên trong dòng chảy màng ở ống B dẫn đến sai số cao...