TRÍCH YẾU : 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 bò 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. Phương pháp thí nghiệm: Chuẩn bò dụng cụ và điều kiện thí nghiệm → chuẩn bò cấp nước lạnh → chuẩn bò cấp hơi nước → khi quá trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn đònh 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 vò trí tấm chảy tràn) → kết thúc thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm: Bảng 1: STT Các đại lượng đo Vò trí tấm chảy tràn (inch) 0 ½ ¾ 1 1½ 1 t 1 ( o C) 33 32 32 32 31 2 t 2 ( o C) 89 71 74 83 82 3 t 3 ( o C) 65 44 41 39 37 4 t 4 ( o C) 88 70 79 82 87 5 Nhiệt độ theo T 3 ( o F) 208 208 208 208 208 6 Nhiệt độ theo T 2 ( o F) 234 238 238 238 240 7 p suất theo P 3 (PSI) 9 11 10 10,5 10 8 p suất theo P 2 (PSI) 11 14 12,5 13,5 13,5 9 Lượng nước ngưng (ml) 19 14 16,5 18 26 10 Thời gian đo lượng nước ngưng (s) 60 60 60 60 60 11 Nhiệt độ nước ngưng t’ C ( o C) 54,5 38,5 42,5 52 58,5 12 Lượng nước chảy trong ống (ml) 362 562 765 850 1200 13 Thời gian đo nước chảy trong ống (s) 60 60 60 60 60 Trang 1 Các đại lượng đo Vò trí tấm chảy tràn (inch) 0 1/4 ½ ¾ 1 1 1/4 t 1 ( o C) 38 38 38 38 38 38 t 2 ( o C) 111 107 109 112 95 80 t 3 ( o C) 85 67 70 74 47 43 t 4 ( o C) 109 104 104 108 88 88 t' 1 (oC) 113 114 113 113 114 t' 2 ( o C) 113 112 113 113 113 P 1 (bar) 0.897 0.828 0.724 0.724 0.863 0.828 P 2 (bar) 0.759 0.759 0.759 0.759 0.793 0.621 lượng nước ngưng (ml) 34.5 56.5 32 11 27.5 30 thời gian đo lưu lượng nước ngưng (s) 120 80 60 30 90 120 nhiệt độ nước ngưng (oC) 52 69.5 50.5 62 45 40 lượng nước chảy trong ống(ml) 150 220 185 440 445 490 thời gian đo lưu lượng (s) 30 30 30 30 30 30 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 bò thí nghiệm được xem như sự ngưng tụ với màng chảy xếp lớp (chảy màng). 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. δ V , δ C : bề dày thành ống và bề dày màng nước ngưng tụ, m. d tr , d ng : đường kính trong và ngoài ống, m. Trang 2 tr d F tr F ng N t ngC α=α trN α=α Vtr t Vng t S t V δ C δ ng d Hình 1: Sơ đồ cơ chế truyền nhiệt đối lưu F tr , F ng : diện tích bề mặt bên trong và bên ngoài ống đứng có chiều cao H, m 2 . t s : nhiệt độ hơi nước bão hòa, o C. t N : nhiệt độ trung bình của nước trong ống, o C. t Vtr , t Vng :nhiệt độ trung bình của vách trong và vách ngoài ống, o C. α C = α ng :hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ (phía lưu chất bên ngoài), W/m 2 .K α N = α tr :hệ số cấp nhiệt phía nước lạnh (phía lưu chất trong ống), W/m 2 .K q: mật độ dòng nhiệt truyền qua vách, W/m 2 . Phương trình cân bằng nhiệt: Nhiệt lượng dòng nước lạnh nhận được: Q 1 = G N C PN (t 3 – t 1 ), W (1) Nhiệt lượng tỏa ra khi hơi nước ngưng tụ: Q 2 = G C [r + C PC (t S - C t )], W (2) Trong trường hợp truyền nhiệt ổn đònh và không có tổn thất nhiệt, ta có phương trình cân bằng nhiệt sau: Q = Q 1 = Q 2 = G N C PN (t 3 – t 1 ) = G C [r + C PC (t S - C t )] (3) Trong đó: • G N , G C : lưu lượng khối của dòng nước trong ống và dòng nước ngưng tụ, kg/s • t 1 , t 3 : nhiệt độ đầu và cuối của dòng nước chảy trong ống, o C • t S : nhiệt độ hơi nước bão hòa ngưng tụ ở áp suất thí nghiệm, o C • C t : nhiệt độ trung bình của nước ngưng tụ, o C 2 'tt t CS C + = , o C (4) • t’ C : nhiệt độ nước ngưng tụ chảy ra (trong thực tế t’ C là nhiệt độ quá lạnh của nước ngưng tụ), o C • C PN : nhiệt dung riêng của nước chảy trong ống, xác đònh ở nhiệt độ trung bình của nước, J/kg.K 2 tt t 31 N + = , o C (5) • C PC : nhiệt dung riêng của nước sau khi ngưng tụ ở nhiệt độ C t , J/kg.K • r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở nhiệt độ t S , J/kg Sự cân bằng nhiệt cũng có thể được thực hiện bằng phương trình truyền nhiệt đối lưu ở chế độ ổn đònh và không có tổn thất nhiệt: Q = Q’ 1 = Q’ 2 Trang 3 Trong đó: Q’ 1 = q tr F tr = α tr (t Vtr - N t )F tr , W trNVtr 1 tr F)tt( 'Q − =α⇒ , W/m 2 .K (6) Q’ 2 = q ng F ng = α ng (t S - t Vng )F ng , W ngVngS 2 ng F)tt( 'Q − =α⇒ , W/m 2 .K (7) Theo lý thuyết: Q’ 1 = Q’ 2 = Q 1 = Q 2 = Q Từ 2 công thức (6) và (7) có thể xác đònh hệ số cấp nhiệt thực nghiêm phía dòng lạnh trong ống (α tr ) và hệ số cấp nhiệt phía hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài ống (α ng ). Trong trường hợp nhiệt trở của vách truyền nhiệt không đáng kể (ống đồng có hệ số dẫn nhiệt lớn: λ V = 1272 W/mK và thành ống mỏng), ta có: 2 tt tt 42 VngVtr + =≈ , o C (8) • VngVtr t,t : nhiệt độ trung bình tại vách trong và vách ngoài ống truyền nhiệt, o C • t 2 , t 4 : nhiệt độ tại thành ngoài ở đầu vào (đầu dưới) và đầu ra (đầu trên) của ống, o C Hệ số truyền nhiệt tổng quát: logtr tF Q K ∆ = , W/m 2 .K (9) • Q : nhiệt lượng tính theo công thức (1) )tt( )tt( ln )tt()tt( logt 1S 3S 1S3S − − −−− =∆ , K (10) Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (hệ số cấp nhiệt) phía dòng nước lạnh chảy trong ống ( α N hay α tr ) Hệ số cấp nhiệt α N (hay α tr ) được xác đònh 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. Trang 4 Dòng lưu chất đối lưu tự nhiên hay cưỡng bức có thể phân biệt dựa theo giá trò của tỷ số 5,2 Re Gr : 5,2 Re Gr ≤ 10 -3 10 -3 < 5,2 Re Gr ≤ 10 -2 5,2 Re Gr ≥ 10 -2 5,2 Re Gr Ở đây: ρνπ = ν = tr Ntr d G4wd Re (11) Với: • w : vận tốc dòng, m/s • ν : độ nhớt động học của lưu chất, m 2 /s • ρ : khối lượng riêng của lưu chất, kg/m 3 Trường hợp đối lưu tự nhiên: Hệ số cấp nhiệt α N (hay α tr ) ở trường hợp đối lưu tự nhiên được xác đònh từ chuẩn số Nusselt (Nu):                           ×−−×= 75,0 tr tr Pr.Gr 1 d H 16exp1 H d 32 Pr.Gr Nu (12) Trong đó: )bảngtra( a Pr ttt tgd Gr dd Nu NVtr 2 3 tr trNtrN ν = −=∆ ν ∆β = λ α = λ α = Các thông số vật lý của nước được xác đònh ở nhiệt độ trung bình: 2 tt t 31 N + = , o C Trường hợp đối lưu cưỡng bức: Trang 5 10 -3 10 -2 Dòng lưu chất đối lưu cưỡng bức Vùng hỗn hợp 2 dòng đối lưu Dòng lưu chất đối lưu tự nhiên * Ở chế độ chảy màng (Re < 2300) với Re.Pr. H d tr >10 : 14,0 Vtr 3/1 H dtr .Pr.Re86,1Nu         µ µ       = (13) Các thông số vật lý được xác đònh ở nhiệt độ trung bình 2 tt t 31 N + = , o C. Riêng µ Vtr được xác đònh ở nhiệt độ trung bình của vách trong t Vtr . * Ở chế độ chuyển tiếp (2300 < Re < 10000) với 0,7 < Pr < 120 và H d tr > 50 : Nu = 0,023Re 0,8 Pr 1/3 (14) Nếu bỏ qua ảnh hưởng của lực nâng với dòng chảy ta có thể áp dụng công thức của Mikhaev để tính Nu * : (Re)f Pr Pr Pr Nu M 14,0 Vtr 43,0 * =         = Giá trò 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 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 đònh 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 đònh theo công thức lý thuyết của Nusselt (xác lập bằng phương pháp giải tích): 25,0 m C 3 C 2 CS C tH gr 943,0         ∆µ λρ =α (16) Ở đây:       + −=−=∆ 2 tt tttt 42 SVngS , K Các thông số vật lý được xác đònh ở nhiệt độ trung bình 2 tt t VngS m + = , o C. Riêng r S được xác đònh ở nhiệt độ t S đối với hơi nước bão hòa. Công thức (16) có thể biến đổi về phương trình tiêu chuẩn đồng dạng sau: 25,0 m VngSPC S PCC C C 2 C 3 C C C )tt(C r . C . gH 943,0 H Nu             − ρ λ ν ν = λ α = Trang 6 = 25,0 mo 25,0 mCC )K(943,0)K.Pr.Ga(943,0 = (17) Ở đây: K = )tt(C r VngSPC S − 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 đònh từ chuẩn số Nu theo công thức thực nghiệm sau đây: 25,0 Vng S 28,0 So 25,0 Vng S 28,0 S * C )K(42,0)K.Pr.Ga(42,0Nu         µ µ =         µ µ = (18) Khác với công thức (16) ở đây các thông số vật lý được xác đònh ở nhiệt độ t S . Riêng Pr Vng xác đònh ở nhiệt độ trung bình của vách ngoài 2 tt t 42 Vng + = , o C. DỤNG CỤ – THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM : Dụng cụ – thiết bò: (xem hình 2.2) Phương pháp thí nghiệm: Chuẩn bò: a) Chuẩn bò dụng cụ và điều kiện thí nghiệm : Chuẩn bò ống nghiệm đo nước ngưng tụ. Chuẩn bò ống nghiệm đo lượng nước chảy trong ống. Chuẩn bò nhiệt kế đo nhiệt độ nước ngưng tụ chảy ra. Chuẩn bò một 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 bò thí nghiệm. Chuẩn bò cấp nước lạnh : Khóa các van V 1 , V 4 , S 1 và mở các van V 2 và V 5 . Điều chỉnh tấm chảy tràn ở vò trí mong muốn theo yêu cầu của bài thí nghiệm. Mở van V 1 và điều chỉnh để giữ mực nước ổn đònh ở bình chảy tràn. Chuẩn bò cấp hơi nước : Khóa các van: S 1 , S 3 , S 5 , V 3 , V 6 , V 8 . Mở van S 4 xả hết nước ngưng dư rồi khóa lại. Mở van V 7 . 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. Đóng van V 7 . Trang 7 Cấp điện cho bộ điện trở đun nước R 1 cho đến khi áp suất trong nồi đun đạt khoảng 15PSI. Cấp điện cho bộ điện trở R 2 để gia nhiệt cho hơi nước (nếu có R 2 ). Tiến hành thí nghiệm: Điều chỉnh dòng nước lạnh chảy trong ống theo yêu cầu của bài thí nghiệm. Khi áp suất trong nồi đun đạt 15PSI, mở hoàn toàn van V 7 và mở từ từ van V 6 và điều chỉnh để áp suất hơi đi vào buồng thí nghiệm khoảng 10PSI. Van V 6 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. Khi quá trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn đònh, tiến hành đo đồng loạt các đại lượng: Lượng nước ngưng tụ trong một khoảng thời gian nhất đònh và nhiệt độ của nước ngưng tụ. Lượng nước chảy trong ống trong ống trong ống trong một khoảng thời gian nhất đònh. Nhiệt độ t 1 , t 2 , t 3 , t 4 (đồng hồ hiện số). p suất trong nồi hơi (áp kế P 2 ). Nhiệt độ của hơi trong nồi hơi (đồng hồ đo nhiệt độ T 2 ). p suất hơi đo bằng đồng hồ đo áp suất P 3 . Nhiệt độ hơi đi vào buồng ngưng tụ đo bằng đồng hồ đo nhiệt độ T 3 . * 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: Sau khi đo xong, ngắt điện cấp cbo nồi hơi, đóng các van V 6 , V 7 , mở van xả hơi S 5 . Nạp nước vào bình chứa. Mở van V 8 cấp nước cho nồi hơi rồi khóa van V 8 lại, khóa van xả hơi S 5 . Khóa van V 1 , mở vòi xả S 4 để xả hết nước nóng rồi khóa vòi S 4 lại. Chuyển vò trí tấm chảy tràn theo yêu cầu của bài thí nghiệm tiếp theo và lặp lại quy trình thao tác như ở thí nghiệm trước. Các thí nghiệm được tiến hành với các vò trí ống chảy tràn như sau: Vò trí “0”: đối lưu tự nhiên. Vò trí “½, ¾,1, 1 ½”: đối lưu cưỡng bức. Kết thúc thí nghiệm: Trình tự thao tác khi kết thúc thí nghiệm: Ngắt cầu dao điện cho nồi hơi. Trang 8 Ngắt điện cho đồng hồ đo nhiệt độ hiện số. Khóa van nguồn nước. Khóa và mở các van đúng như hiện trạng trước khi làm thí nghiệm. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM : Bảng 3: Các đại lượng đo Vò trí tấm chảy tràn (inch) 0 1/4 ½ ¾ 1 1½ t 1 ( o C) 38 38 38 38 38 38 t 2 ( o C) 111 107 109 112 95 80 t 3 ( o C) 85 67 70 74 47 43 t 4 ( o C) 109 104 104 108 88 88 t’ 1 ( o C) 113 114 113 113 114 116 t’ 2 ( o C) 113 112 113 113 113 113 P 1 (bar) 0.897 0.828 0.724 0.724 0.863 0.828 P 2 (bar) 0.759 0.759 0.759 0.759 0.793 0.621 2 tt t 31 N + = , o C 61.5 52.5 54 56 42.5 40.5 2 tt t 42 Vng + = , o C 110 105.5 106.5 110 91.5 84 VngVtr tt ≈ , o C 110 105.5 106.5 110 91.5 84 2 tt t VngS m + = , o C 111.5 108.75 109.75 111.5 102.25 98.5 2 'tt t CS C + = , o C 113 113 113 113 113.5 114.5 NVtr ttt −=∆ , K 48.5 53 52.5 54 49 43.5 G N .10 3 (kg/s) 0 .288 0.706 0.533 0.367 0.305 0.25 Trang 9 G C .10 3 (kg/s) 5 7.33 6.167 14.67 14.83 16.33 Bảng 4: Các thông số vật lý Vò trí tấm chảy tràn (inch) 0 ½ ¾ 1 1½ Nước chảy trong ống C PN (J/kg.K) 4178 4178 4178 4178 4178 λ (W/mK) 0,6458 0,6308 0,6274 0,6268 0,6242 ρ (kg/m 3 ) 988,5 992,92 993,46 993,82 994,34 ν.10 7 (m 2 /s) 5,652 6,846 7,038 7,166 7,394 β.10 4 (1/K) 4,432 3,762 3,681 3,627 3,522 µ.10 4 (Ns/m 2 ) 5,588 6,806 7,013 7,151 7,378 Pr 3,618 4,546 4,723 4,841 5,004 µ Vtr .10 4 (Ns/m 2 ) 3,198 3,969 3,711 3,230 3,334 Nước ngưng tụ C PC (J/kg.K) 4214,08 4202,68 4205,8 4209,28 4210,88 λ C (W/mK) 0,68076 0,67788 0,67912 0,68016 0,68036 ρ C (kg/m 3 ) 962,64 968,728 966,752 964,74 964,04 ν C .10 7 (m 2 /s) 3,1308 3,4868 3,3568 3,2328 3,1998 µ C .10 4 (Ns/m 2 ) 3,0132 3,3196 3,2204 3,1212 3,0852 C PS (J/kg.K) 4219,28 4219,28 4219,28 4219,28 4219,28 λ S (W/mK) 0,68182 0,68182 0,68182 0,68182 0,68182 ρ S (kg/m 3 ) 959,012 959,012 959,012 959,012 959,012 Pr S 1,868 1,868 1,868 1,868 1,868 Pr Vng 1,992 2,535 2,343 2,15 2,102 Hơi nước bão hòa r S .10 -3 (J/kg) 2264 2264 2264 2264 2264 Bảng 5: Nhiệt lượng, tổn thất nhiệt Vò trí tấm chảy tràn (inch) 0 ½ ¾ 1 1½ Q 1 (W) 797,3563 466,2824 476,2901 411,7578 498,5223 Q 2 (W) 718,7954 540,5305 633,5432 683,9414 981,4972 ∆Q (W) -78,5609 74,2481 157,2531 272,1835 482,9749 ∆Q (%) -9,8527 15,9234 33,0162 66,1028 96,8813 Trang 10