Bài thí nghiệm TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG I. TRÍCH YẾU: 1. Mục đích: −Làm quen với thiết bị truyền nhiệt dạng 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 hai dòng lạnh nóng được ngăn cách bởi vách ngăn kim loại ở các chế độ chảy khác nhau. −Thiết lập cân bằng nhiệt lượng. 2. Tiến hành thí nghiệm: Tiến hành thí nghiệm với hai loại ống khác nhau B và C ở các chế độ chảy khác nhau. Với mỗi loại: −Cố định lưu lượng dòng nóng rồi thay đổi lưu lượng dòng lạnh. −Ứng với mỗi giá trị của lưu lượng ta đo nhiệt độ vào và ra của dòng nóng (t v1 , t R1 ) và dòng lạnh (t v2 , t R2 ). 3. Kết quả: Xác định: −Nhiệt lượng Q trao đổi giữa hai dòng: −Thiết lập cân bằng nhiệt lượng. Xác định tổn thất nhiệt. −Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit ∆t log . −Hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm K 1 . −Hệ số cấp nhiệt α 1 , α 2 . −Xác định chế độ chảy của lưu chất bằng chuẩn số Re. −Xác định chuẩn số Nu cho phương thức chảy ngang (ống kiểu B). −Xác định chuẩn số Nu cho chế độ chảy dọc theo thân ống (ống kiểu C). −Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết K 1 * . −Lập bảng kết quả tính K 1 * và K 1 theo chế độ chảy. −Dựng đồ thị K 1 * , K 1 theo Re. II. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM: Quá trình truyền nhiệt trong thiết bị dạng ống lồng ống là một ví dụ của sự truyền nhiệt phức tạp: 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 −Đối lưu nhiệt giữa dòng lạnh với thành ống. 1. Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho hai dòng lưu chất: Q = G 1 C 1 (t v1 – t R1 ) = G 2 C 2 (t R2 - t v2 ), W. G 1 , G 2 : lưu lượng dòng nóng và lạnh, kg/s. C 1 , C 2 : nhiệt dung riêng trung bình của dòng nóng và lạnh, J/kg.K. t v1 , t R1 : nhiệt độ vào và ra của dòng nóng, 0 C. t v2 , t R2 : nhiệt độ vào và ra của dòng lạnh, 0 C. 2. Phương trình biễu diễn quá trình truyền nhiệt: Q = K l .∆t log .L L: chiều dài ống, m. K l : hệ số truyền nhiệt dài, W/m.K. ∆t log : chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit, K. 3. Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit: N L NL t t tt t ∆ ∆ ∆−∆ =∆ log log 4. Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết, K l * : - 1 - Bài thí nghiệm TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG b b ngtr ng tr l d r dd d d K +++ = 21 * 1 ln 2 11 αλα π d ng , d tr : đường kính ngoài và trong của ống truyền nhiệt, m. λ: hệ số dẫn nhiệt của ống, W/mK. r b : nhiệt trở của lớp cáu. d b : đường kính lớp cáu, m. 5. Hệ số cấp nhiệt α 1 , α 2 giữa vách ngăn và dòng lưu chất: Rl v nm ANu εε 25.,0 Pr Pr PrRe.         = A, n, m, ε l , ε R : Các hệ số thực nghiệm, tùy thuộc vào các yếu tố: Chế độ chảy dòng lưu chất. Sự tương quan giữa dòng chảy và bề mặt truyền nhiệt. Đặc điểm bề mặt truyền nhiệt (độ nhám, hình dạng ) III. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: 1. Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm: − Hệ thống thiết bị thí nghiệm có 3 kiểu kết cấu bề mặt truyền nhiệt:  Kiểu A: Loại ống nhún (ống đàn hồi được)  Kiểu B: Loại ống lồng ống mà lưu chất chảy ngang mặt ngoài của ống trong, hai dòng chảy có phương vuông góc nhau.  Kiểu C: Loại ống lồng ống đơn giản, lưu chất chảy dọc bề mặt ngoài của ống trong, hai dòng chảy có phương song song nhau. − Nồi đun nước có các điện trở gia nhiệt. − Bơm nước lên hệ thống ống. − Các loại van. − Lưu lượng kế phao. − Dụng cụ đo nhiệt độ. − Kích thước ống: Kiểu ống Đường kính ( mm ) Chiếu dài ( mm ) Ống trong Ống ngoài B Φ 14/16 Φ 26/28 925 C Φ 14/16 Φ 26/28 1000 2. 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 2211 ,,, RVRV tttt . 3. Trình tự thí nghiệm: − Cấp nước đầy vào nồi đun (khi nước bắt đầu chảy qua ống chảy tràn) − Đóng cầu dao R 1 , R 2 , R 3 , và R 4 để đun nước. − Khi nồi đun bắt đầu sôi bắt đầu tiến hành thí nghiệm. − Mở van V 1 , V 2 , V 3 , V 6 , và V 7 , V 5 luôn đóng. − Đóng cầu dao P 1 để khởi động bơm, bơm dòng nóng từ nồi đun vào thiết bị thí nghiệm. - 2 - Bài thí nghiệm TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG − Muốn khảo sát loại ống nào ta mở van chặn tương ứng ở đầu vào dòng nóng (V N1 , V N2 , V N3 , V N4 , V N5 ) và ở đầu ra dòng lạnh (V L2 , V L3 , V L4 , V L5 ) của ống đó, khóa tất cả các van khác lại. − Đóng từ từ van V 3 để điều chỉnh lưu lượng dòng nóng (hoàn lưu một phần dòng nóng về lại nồi đun để giảm tổn thất nhiệt) − Điều chỉnh van І để đổi hướng chuyển động của dòng lạnh và khóa các van không cần thiết. − Chỉnh van II để cố định lưu lượng dòng nóng sau đó đổi chiều van II để đo lưu lượng dòng lạnh. − Điều chỉnh lưu lượng của các dòng để thay đổi chế độ chảy và lặp lại thí nghiệm với thông số ổn định mới. IV. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM: Chú thích: 1: dòng nóng 2: dòng lạnh v: dòng vào r: dòng ra Bảng số liệu Nhiệt độ ( o C) Ống B Ống C STT G 1 (ft 3 /ph) G 2 (ft 3 /ph) t 1V t 1R t 2V t 2R t 1V t 1R t 2V t 2R 1 0.16 0.2 96 76 30 59 96 72 30 59 2 0.3 96 76 30 51 96 70 30 51 3 0.4 95 76 30 46 95 68 30 46 4 0.5 94 74 30 41.5 94 66 30 41.5 5 0.25 0.2 94 76 30 52 94 81 30 52 6 0.3 94 76 30 50 94 79 30 50 7 0.4 94 75 30 46 94 76 30 46 8 0.5 94 73 30 43 94 73 30 43 9 0.3 0.2 92 78 30 52 92 78 30 52 10 0.3 92 77 30 48 92 77 30 48 11 0.4 92 76 30 44 92 76 30 44 12 0.5 92 74 30 42 92 74 30 42 13 0.34 0.2 89 73 30 52 89 76 30 52 14 0.3 89 73 30 51 89 76 30 51 15 0.4 89 73 30 46 89 75 30 46 16 0.5 89 72 30 43 89 72 30 43 Kết quả ống B - 3 - Bài thí nghiệm TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG Nhiệt lượng Dòng nóng ống B STT G 1 ,10 6 (m 3 /s) G 2 ,10 6 (m 3 /s)  1 (kg/m 3 ) G 1 (kg/s) t 1tb ( o C)  t 1 ( o C) C p1 (j/kg.ñoä) Q1 (w) 1 75.5 94.3 967.99 0.0731 86.00 20.00 4204.13 6146.4 2 141.5 967.99 0.0731 86.00 20.00 4204.13 6146.4 3 188.8 968.32 0.0731 85.50 19.00 4202.84 5837.3 4 235.8 969.29 0.0732 84.00 20.00 4202.42 6152.3 5 118 94.3 971.83 0.1147 85.00 18.00 4203.21 8677.9 6 141.5 971.83 0.1147 85.00 18.00 4203.21 8677.9 7 188.8 968.97 0.1143 84.50 19.00 4202.84 9127.3 8 235.8 969.60 0.1144 83.50 21.00 4201.96 10094.8 9 142 94.3 971.83 0.138 85.00 14.00 4203.21 8120.6 10 141.5 968.97 0.1376 84.50 15.00 4202.84 8674.7 11 188.8 969.29 0.1376 84.00 16.00 4202.42 9252.0 12 235.8 973.42 0.1382 83.00 18.00 4201.50 10451.7 13 160 94.3 970.84 0.1553 81.00 16.00 4199.90 10435.9 14 142 971.29 0.1554 81.00 16.00 4199.90 10442.6 15 188.8 971.67 0.1555 81.00 16.00 4199.90 10449.4 16 235.8 972.44 0.1556 80.50 17.00 4199.53 11108.6 Dòng lạnh ống B  Q (w) ST T G 1 ,10 6 (m 3 /s) G 2 ,10 6 (m 3 /s)  2 (kg/m) G 2 (kg/s) t 2tb ( o C)  t 2 ( o C) Cp 2 (j/kg.ñoä) Q 2 (w) 1 75.5 94.3 990.46 0.0934 44.5 29.0 4182.1 11327.6 -5181.2 2 141.5 992.06 0.1404 40.5 21.0 4181.4 12328.3 -6181.9 3 188.8 993.00 0.1874 38 16.0 4181.1 12536.6 -6699.3 4 235.8 994.03 0.234 35.75 11.5 4181 11270.2 -5117.9 5 118 94.3 991.87 0.0935 41 22.0 4181.4 8601.1 76.8 6 141.5 992.25 0.1404 40 20.0 4181.3 11741.1 -3063.2 7 188.8 993.00 0.1874 38 16.0 4181.1 12536.6 -3409.3 8 235.8 993.34 0.2342 36.5 13.0 4181 12729.4 -2634.6 9 142 94.3 991.87 0.0935 41 22.0 4181.4 8601.1 -480.5 10 141.5 992.63 0.1405 39 18.0 4181.2 10574.2 -1899.5 11 188.8 993.36 0.1874 37 14.0 4181 10969.2 -1717.2 12 235.8 993.71 0.2343 36 12.0 4181 11755.2 -1303.5 13 160 94.3 991.87 0.0935 41 22.0 4181.4 8601.1 1834.8 14 142 992.06 0.1404 40.5 21.0 4181.4 12328.3 -1885.7 15 188.8 993.00 0.1874 38 16.0 4181.1 12536.6 -2087.2 16 235.8 993.34 0.2342 36.5 13.0 4181 12729.4 -1620.8 Tính Re - 4 - Bài thí nghiệm TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG Ống B STT d n (m) w 1 (m/s) Re 1 d l (m) w 2 (m/s) Re 2 1 0.014 0.49 20031 0.016 0.2860 7500 2 0.014 0.49 20031 0.016 0.4292 10483 3 0.014 0.49 19918 0.016 0.5723 13344 4 0.014 0.49 19586 0.016 0.7152 15722 5 0.014 0.766 31064 0.016 0.2860 7049 6 0.014 0.766 31064 0.016 0.4292 10387 7 0.014 0.766 30789 0.016 0.5723 13344 8 0.014 0.766 30439 0.016 0.7152 16202 9 0.014 0.922 37390 0.016 0.2860 7049 10 0.014 0.922 34656 0.016 0.4292 10197 11 0.014 0.922 36853 0.016 0.5723 13093 12 0.014 0.922 36568 0.016 0.7152 16050 13 0.014 1.039 40107 0.016 0.2860 7049 14 0.014 1.039 40126 0.016 0.4292 10483 15 0.014 1.039 40142 0.016 0.5723 13344 16 0.014 1.039 39924 0.016 0.7152 16202 Tính:  t log , K l-1, K l-2 Ống B STT t 1tb ( o C) t 2tb ( o C)  t l = t 1V - t 2R  t n = t 1r - t 2v  t log K l-1 K l-2 Pr 1 Pr 2 1 86.00 44.5 37.00 46.0 41.3 4 160.7 296.23 1.88 4.050 2 86.00 40.5 45.00 46.0 45.5 146 292.92 1.88 4.450 3 85.50 38 49.00 46.0 47.48 132.9 285.45 1.89 4.700 4 84.00 40.75 52.5 44.0 48.12 138.2 253.2 1.92 4.930 5 85.00 41 42.00 46.0 43.9 7 213.4 211.47 1.9 4.400 6 85.00 40 44.00 46.0 44.99 208.5 282.13 1.9 4.500 7 84.50 38 48.00 45.0 46.4 8 212.3 291.59 1.91 4.700 8 83.50 36.5 51.00 43.0 46.8 9 232.7 293.49 1.93 4.850 9 85.00 41 40.00 48.0 43.8 8 200.1 211.91 1.9 4.400 10 84.50 39 44.00 47.0 45.48 206.2 251.35 1.91 4.600 11 84.00 37 48.00 46.0 46.9 9 212.9 252.36 1.92 4.800 12 83.00 36 50.00 44.0 46.9 4 240.7 270.74 1.94 4.900 13 81.00 41 37.00 43.0 39.92 282.6 232.93 1.98 4.400 14 81.00 40.5 38.00 43.0 40.45 279.1 329.49 1.98 4.450 - 5 - Bài thí nghiệm TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG 15 81.00 38 43.00 42.0 42.5 265.8 318.9 1.98 4.700 16 80.50 36.5 46.00 42.0 43.9 7 273.1 312.98 1.99 4.850 Tra hệ số dẫn nhiệt và độ nhớt Ống B STT t 1tb ( o C) t 2tb ( o C)  1 .10 3 (Ns/m 2 )  2 .10 3 (Ns/m 2 )  1 (w/mK)  2 (w/mK) 1 86.00 44.5 0.3315 0.6043 0.678 0.64 2 86.00 40.5 0.3315 0.6499 0.678 0.635 3 85.50 38 0.3335 0.6814 0.678 0.631 4 84.00 35.75 0.3395 0.7235 0.677 0.627 5 85.00 41 0.3355 0.6439 0.677 0.635 6 85.00 40 0.3355 0.6560 0.677 0.634 7 84.50 38 0.3375 0.6814 0.677 0.631 8 83.50 36.5 0.3416 0.7016 0.677 0.628 9 85.00 41 0.3355 0.6439 0.677 0.635 10 84.50 39 0.3609 0.6685 0.677 0.632 11 84.00 37 0.3395 0.6947 0.677 0.629 12 83.00 36 0.3436 0.7085 0.676 0.627 13 81.00 41 0.3521 0.6439 0.675 0.635 14 81.00 40.5 0.3521 0.6499 0.675 0.635 15 81.00 38 0.3521 0.6814 0.675 0.631 16 80.50 36.5 0.3543 0.7016 0.675 0.628 - 6 - Bài thí nghiệm TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG Tính sai số lần 1 Ống B STT ∆t 1 ∆t 2 ( o C) t v1 t v2 Pr v1 Pr v2 Nu 1 Nu 2 α 1 α 2 K ’ ∆t 1 * %∆t 1 1 10.85 28.99 75.15 73.4 9 2.29 2.3 6 115.27 84.33 5582 337 3 2091. 1 15.49 43 2 15.12 28.88 70.88 69.3 8 2.46 2.52 113.2 3 131.3 3 5484 5212 2653.9 22.02 46 3 18.45 27.53 67.05 65.53 2.62 2.68 111.4 5 154.7 5397 610 1 2842.6 25.01 36 4 19.7 3 22.02 63.2 4 62.77 2.73 2.79 110.2 9 173.9 3 533 3 690 3 2985.3 24.21 23 5 7.85 34.62 77.15 75.62 2.17 2.26 153.0 4 87.07 740 1 345 6 2341. 6 13.9 1 77 6 10.9 32.59 74.1 72.59 2.32 2.48 150.5 132.05 7278 5232 3020 18.6 7 71 7 13.6 31.38 70.9 69.3 8 2.46 2.52 148.0 1 157.1 7157 619 6 3292.6 21.3 8 57 8 15.77 29.62 67.7 3 66.1 2 2.59 2.6 6 146.0 7 177.6 1 706 4 697 1 3476. 9 23.08 46 9 6.72 35.66 78.28 76.6 6 2.1 2.2 172.45 87.66 833 9 347 9 2439. 3 12.84 91 10 10 33.98 74.5 72.98 2.32 2.38 161.2 4 133.7 9 7797 5285 3124. 3 18.22 82 11 11.9 2 33.57 72.08 70.57 2.42 2.48 166.0 9 158.0 3 8032 621 3 3471. 6 20.3 1 70 12 13.8 6 31.58 69.1 4 67.58 2.53 2.6 164.5 6 178.7 7 794 6 700 6 3687. 6 21.78 57 13 5.74 32.68 75.26 73.6 8 2.28 2.35 180.8 4 86.23 871 9 3422 2441.9 11.1 8 95 14 8.07 30.88 72.93 71.3 8 2.38 2.44 178.9 6 132.3 9 8628 5254 3238 15.1 8 88 15 10.2 3 30.77 70.77 68.7 7 2.47 2.55 177.3 5 156.6 4 8551 617 7 3553.2 17.6 6 73 16 12.26 30.21 68.24 66.7 1 2.57 2.6 3 175.58 178.1 2 8465 699 1 3791. 2 19.6 9 61 - 7 - Bài thí nghiệm TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG Tính sai số lần 2 Ống B STT ∆t 1 * ∆t 2 * t v1 t v2 Pr v1 Pr v2 Nu 1 Nu 2 α 1 α 2 K ’ 1 15.49 25.63 70.51 70.13 2.5 2.52 112.77 82.96 5461 3318 2053 2 22.02 23.17 63.98 63.67 2.77 2.78 109.92 128.14 5323 5086 2583.4 3 25.01 22.12 60.49 60.12 2.93 2.97 108.38 150.78 5249 5946 2767.9 4 24.21 18.7 59.79 59.45 2.99 3 107.81 170.8 5213 6779 2924.5 5 13.91 29.79 71.09 70.79 2.48 2.49 148.01 84.99 7157 3373 2279 6 18.67 25.97 66.33 65.97 2.68 2.69 145.17 129.4 7020 5127 2940.4 7 21.38 24.7 63.12 62.7 2.8 2.82 143.3 152.75 6930 6024 3195.9 8 23.08 23.39 60.42 59.89 2.94 2.99 141.52 172.5 6844 6771 3373.8 9 12.84 30.77 72.16 71.77 2.44 2.45 166.1 85.33 8032 3387 2367.7 10 18.22 26.89 66.28 65.89 2.68 2.69 155.53 129.75 7521 5125 3024.1 11 20.31 26.26 63.69 63.26 2.79 2.6 160.29 156.17 7751 6139 3395.5 12 21.78 24.71 61.22 60.71 2.89 2.92 159.18 173.66 7686 6805 3575.8 13 11.18 28.49 69.82 69.49 2.53 2.54 176.19 84.57 8495 3356 2390.7 14 15.18 24.93 65.82 65.43 2.69 2.7 173.56 129.08 8368 5123 3151.6 15 17.66 24.45 63.34 62.45 2.79 2.83 172.03 152.61 8294 6019 3456.5 16 19.69 23.84 60.81 60.34 2.89 2.94 170.5 173.23 8221 6799 3685.7 - 8 - Bài thí nghiệm TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Re-K l * và K l ống B - 9 - Bài thí nghiệm TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG Kết quả ống C Nhiệt lượng Dòng nóng ống C STT G 1 ,10 6 (m 3 /s) G 2 ,10 6 (m 3 /s)  1 (kg/m 3 ) G 1 (kg/s) t tb ( o C)  t 1 ( o C) Cp 1 (j/kg.ñoä) Q 1 (w) 1 75.5 94.3 969.60 0.073 83.5 23.0 4202.0 7055.2 2 141.5 970.24 0.073 82.5 25.0 4201.1 7667 3 188.8 970.88 0.073 81.5 27.0 4200.3 8278.8 4 235.8 971.83 0.073 80 28.0 4199.9 8584.6 5 118 94.3 966.53 0.114 88.5 15.0 4383.0 7494.9 6 141.5 967.53 0.114 87 16.0 4205.0 7669.9 7 188.8 968.85 0.114 85 18.0 4203.2 8625 8 235.8 974.06 0.115 83.5 21.0 4202.0 10147.8 9 142 94.3 967.53 0.137 87 18.0 4205.0 10369.5 10 141.5 967.86 0.137 86.5 19.0 4204.6 10944.6 11 188.8 969.18 0.137 85.5 19.0 4203.7 10942.2 12 235.8 969.29 0.137 84 20.0 4202.4 11514.6 13 160 94.3 969.29 0.155 84 16.0 4202.4 10422 14 142 969.29 0.155 84 16.0 4202.4 10422 15 188.8 969.90 0.156 83.5 17.0 4202.0 11143.7 16 235.8 970.56 0.156 82 20.0 4200.7 13106.2 - 10 - . nghiệm TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Re-K l * và K l ống B - 9 - Bài thí nghiệm TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG Kết quả ống C Nhiệt lượng Dòng nóng ống C STT G 1 ,10 6 (m 3 /s) G 2 ,10 6 (m 3 /s)  1 (kg/m 3 ) G 1 (kg/s) t tb ( o C) . nghiệm: − Hệ thống thiết bị thí nghiệm có 3 kiểu kết cấu bề mặt truyền nhiệt:  Kiểu A: Loại ống nhún (ống đàn hồi được)  Kiểu B: Loại ống lồng ống mà lưu chất chảy ngang mặt ngoài của ống trong, hai. C: Loại ống lồng ống đơn giản, lưu chất chảy dọc bề mặt ngoài của ống trong, hai dòng chảy có phương song song nhau. − Nồi đun nước có các điện trở gia nhiệt. − Bơm nước lên hệ thống ống. − Các