thí nghiệp quá trình thiết bị đối lưu nhiệt

23 14 0
  • Loading ...
1/23 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 14/04/2018, 18:23

1.TRÍCH YEÁU :1.1.Muïc ñích thí nghieäm:1)Giuùp sinh vieân cuûng coá kieán thöùc veà söï truyeàn nhieät ñoái löu.2)Giuùp sinh vieân laøm quen vôùi caáu taïo, nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa thieát bò vaø phöông phaùp thí nghieäm veà söï trao ñoåi nhieät ñoái löu.3)Khaûo saùt thöïc nghieäm heä soá caáp nhieät ôû doøng löu chaát khoâng coù bieán ñoåi pha vaø doøng löu chaát coù bieán ñoåi pha vôùi cheá ñoä ngöng tuï chaûy maøng trong hai tröôøng hôïp: ñoái löu töï nhieân vaø ñoái löu cöôõng böùc.4)So saùnh heä soá caáp nhieät vaø heä soá truyeàn nhieät lyù thuyeát vôùi heä soá caáp nhieät vaø truyeàn nhieät thöïc nghieäm.5)Thieát laäp caân baèng nhieät löôïng trong quaù trình trao ñoåi nhieät ñoái löu.1.2.Phöông phaùp thí nghieäm:Chuaån bò duïng cuï vaø ñieàu kieän thí nghieäm  chuaån bò caáp nöôùc laïnh  chuaån bò caáp hôi nöôùc  khi quaù trình truyeàn nhieät ñaït cheá ñoä oån ñònh thì tieán haønh ño ñoàng loaït caùc ñaïi löôïng  ngöøng thí nghieäm ñeå chuyeån sang thí nghieäm khaùc (tieán haønh 5 thí nghieäm öùng vôùi 5 vò trí taám chaûy traøn)  keát thuùc thí nghieäm.1.3.Keát quaû thí nghieäm:Baûng 1:STTCaùc ñaïi löôïng ñoVò trí taám chaûy traøn (inch)0½¾11½1t1 (oC)33323232312t2 (oC)89717483823t3 (oC)65444139374t4 (oC)88707982875Nhieät ñoä theo T3 (oF)2082082082082086Nhieät ñoä theo T2 (oF)2342382382382407Aùp suaát theo P3 (PSI)9111010,5108Aùp suaát theo P2 (PSI)111412,513,513,59Löôïng nöôùc ngöng (ml)191416,5182610Thôøi gian ño löôïng nöôùc ngöng (s)606060606011Nhieät ñoä nöôùc ngöng t’C (oC)54,538,542,55258,512Löôïng nöôùc chaûy trong oáng (ml)362562765850120013Thôøi gian ño nöôùc chaûy trong oáng (s)60606060602.LYÙ THUYEÁT THÍ NGHIEÄM :Söï truyeàn nhieät giöõa hôi nöôùc baõo hoøa ngöng tuï treân beà maët ngoaøi oáng ñöùng vôùi doøng nöôùc laïnh chaûy trong oáng laø moät daïng truyeàn nhieät ñöôïc ñaëc tröng bôûi 2 quaù trình: trao ñoåi nhieät ñoái löu trong tröôøng hôïp coù bieán ñoåi pha (hôi nöôùc baõo hoøa ngöng tuï treân beà maët oáng ñöùng) vaø trao ñoåi nhieät ñoái löu ôû doøng löu chaát khoâng coù bieán ñoåi pha (doøng nöôùc laïnh chaûy trong oáng). Boû qua nhieät trôû thaønh oáng.Söï ngöng tuï hôi nöôùc ôû thieát bò thí nghieäm ñöôïc xem nhö söï ngöng tuï vôùi maøng chaûy xeáp lôùp (chaûy maøng).Doøng nöôùc laïnh chaûy trong oáng ñöùng (goïi taét laø doøng laïnh) ñöôïc thöïc hieän vôùi 2 cheá ñoä chaûy: chuyeån ñoäng töï nhieân vaø chuyeån ñoäng cöôõng böùc.Sô ñoà cô cheá truyeàn nhieät ñoái löu ñöôïc bieåu dieãn ôû hình 1.V, C : beà daøy thaønh oáng vaø beà daøy maøng nöôùc ngöng tuï, m. dtr, dng : ñöôøng kính trong vaø ngoaøi oáng, m.Ftr, Fng : dieän tích beà maët beân trong vaø beân ngoaøi oáng ñöùng coù chieàu cao H, m2.ts : nhieät ñoä hôi nöôùc baõo hoøa, oC.tN: nhieät ñoä trung bình cuûa nöôùc trong oáng, oC.tVtr, tVng:nhieät ñoä trung bình cuûa vaùch trong vaø vaùch ngoaøi oáng, oC.C = ng:heä soá caáp nhieät phía hôi nöôùc ngöng tuï (phía löu chaát beân ngoaøi), Wm2.KN = tr:heä soá caáp nhieät phía nöôùc laïnh (phía löu chaát trong oáng), Wm2.Kq: maät ñoä doøng nhieät truyeàn qua vaùch, Wm2. Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt TRÍCH YẾU : 1.1 Mục đích thí nghiệm: 1) Giúp sinh viên củng cố kiến thức truyền nhiệt đối lưu 2) Giúp sinh viên làm quen với cấu tạo, nguyên lý hoạt động thiết bò phương pháp thí nghiệm trao đổi nhiệt đối lưu 3) Khảo sát thực nghiệm hệ số cấp nhiệt dòng lưu chất biến đổi pha dòng lưu chất có biến đổi pha với chế độ ngưng tụ chảy màng hai trường hợp: đối lưu tự nhiên đối lưu cưỡng 4) So sánh hệ số cấp nhiệt hệ số truyền nhiệt lý thuyết với hệ số cấp nhiệt truyền nhiệt thực nghiệm 5) Thiết lập cân nhiệt lượng trình trao đổi nhiệt đối lưu 1.2 Phương pháp thí nghiệm: Chuẩn bò dụng cụ điều kiện thí nghiệm → chuẩn bò cấp nước lạnh → chuẩn bò cấp nước → trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn đònh tiến hành đo đồng loạt đại lượng → ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác (tiến hành thí nghiệm ứng với vò trí chảy tràn) → kết thúc thí nghiệm 1.3 Kết thí nghiệm: Bảng 1: ST T 10 11 12 13 Vò trí chảy tràn (inch) Các đại lửụùng ủo ẵ ắ 1ẵ t1 (oC) 33 32 32 32 31 t2 (oC) 89 71 74 83 82 t3 (oC) 65 44 41 39 37 o t4 ( C) 88 70 79 82 87 o Nhiệt độ theo T3 ( F) 208 208 208 208 208 Nhieät ñoä theo T2 (oF) 234 238 238 238 240 Aùp suaát theo P3 (PSI) 11 10 10, 10 Aùp suaát theo P2 (PSI) 11 14 12, 13, 13, 5 Lượng nước ngưng (ml) 19 14 16, 18 26 Thời gian đo lượng nước ngưng (s) 60 60 60 60 60 o Nhiệt độ nước ngưng t’C ( C) 54, 38, 42, 52 58, 5 5 Lượng nước chảy ống (ml) 362 562 765 850 120 Thời gian đo nước chảy oáng 60 60 60 60 60 (s) Trang Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM : Sự truyền nhiệt nước bão hòa ngưng tụ bề mặt ống đứng với dòng nước lạnh chảy ống dạng truyền nhiệt đặc trưng trình: trao đổi nhiệt đối lưu trường hợp có biến đổi pha (hơi nước bão hòa ngưng tụ bề mặt ống đứng) trao đổi nhiệt đối lưu dòng lưu chất biến đổi pha (dòng nước lạnh chảy ống) Bỏ qua nhiệt trở thành ống Sự ngưng tụ nước thiếtthí nghiệm xem ngưng tụ với màng chảy xếp lớp (chảy màng) Dòng nước lạnh chảy ống đứng (gọi tắt dòng lạnh) thực với chế độ chảy: chuyển động tự nhiên chuyển động cưỡng Sơ đồ chế truyền nhiệt đối lưu Fng Ftr biểu diễn hình δV, δC : bề dày thành ống bề α C = α ng dày màng nước ngưng tụ, m α N = α tr dtr, dng : đường kính ống, m tS Ftr, Fng : diện tích bề mặt bên t t bên ống đứng có chiều cao tN Vtr Vng H, m ts : nhiệt độ nước bão hòa, oC tN: nhiệt độ trung bình nước dtr δ V δ C ống, oC dng tVtr, tVng:nhiệt độ trung bình vách vách ống, oC Hình 1: Sơ đồcơ chế truyền nhiệtđốilưu αC = αng:hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ (phía lưu chất bên ngoài), W/m2.K αN = αtr:hệ số cấp nhiệt phía nước lạnh (phía lưu chất ống), W/m2.K q: mật độ dòng nhiệt truyền qua vách, W/m2 2.1 Phương trình cân nhiệt: Nhiệt lượng dòng nước lạnh nhận được: Q1 = GNCPN(t3 – t1), W Nhiệt lượng tỏa nước ngưng tụ: Q2 = GC[r + CPC(tS - tC )], W Trang (1) (2) Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt Trong trường hợp truyền nhiệt ổn đònh tổn thất nhiệt, ta có phương trình cân nhiệt sau: Q = Q1 = Q2 = GNCPN(t3 – t1) = GC[r + CPC(tS - tC )] (3) Trong đó: • GN, GC : lưu lượng khối dòng nước ống dòng nước ngưng tụ, kg/s • t1, t3 : nhiệt độ đầu cuối dòng nước chảy ống, oC • tS : nhiệt độ nước bão hòa ngưng tụ áp suất thí o nghiệm, C tC • : nhiệt độ trung bình nước ngưng tụ, oC t + t'C o tC = S , C (4) • t’C : nhiệt độ nước ngưng tụ chảy (trong thực tế t’ C nhiệt độ lạnh nước ngưng tụ), oC • CPN : nhiệt dung riêng nước chảy ống, xác đònh nhiệt độ trung bình nước, J/kg.K t +t t N = , oC (5) • CPC : nhiệt dung riêng nước sau ngưng tụ nhiệt độ tC , J/kg.K • r : ẩn nhiệt ngưng tụ nước bão hòa nhiệt độ tS, J/kg Sự cân nhiệt thực phương trình truyền nhiệt đối lưu chế độ ổn đònh tổn thất nhiệt: Q = Q’1 = Q’2 Trong đó: Q’1 = qtrFtr = αtr(tVtr - tN )Ftr, W ⇒ α tr = Q'1 , W/m2.K (6) (tVtr − tN )Ftr Q’2 = qngFng = αng(tS - tVng)Fng, W Q'2 ⇒ α ng = , W/m2.K (7) (tS − tVng )Fng Theo lý thuyết: Q’1 = Q’2 = Q1 = Q2 = Q Từ công thức (6) (7) xác đònh hệ số cấp nhiệt thực nghiêm phía dòng lạnh ống (αtr) hệ số cấp nhiệt phía nước bão hòa ngưng tụ bề mặt ống (αng) Trong trường hợp nhiệt trở vách truyền nhiệt không đáng kể (ống đồng có hệ số dẫn nhiệt lớn: λV = 1272 W/mK thành ống mỏng), ta có: t +t tVtr ≈ tVng = , oC (8) Trang Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt tVtr , tVng : nhiệt độ trung bình vách vách ống truyền nhiệt, oC • t2, t4 : nhiệt độ thành đầu vào (đầu dưới) đầu (đầu trên) ống, oC • 2.2 Hệ số truyền nhiệt tổng quát: Q K= , W/m2.K Ftr∆tlog • Q : nhiệt lượng tính theo công thức (1) (t − t ) − (tS − t1) ∆t log = S (t − t ) ,K ln S (tS − t1) (9) (10) 2.3 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (hệ số cấp nhiệt) phía dòng nước lạnh chảy ống (α N hay α tr) Hệ số cấp nhiệt αN (hay αtr) xác đònh tùy thuộc vào dạng trao đổi nhiệt (đối lưu tự nhiên hay đối lưu cưỡng bức) chế độ chảy dòng lưu chất: chảy xếp lớp (chảy màng), chảy rối hay chế độ chuyển tiếp Dòng lưu chất đối lưu tự nhiên hay cưỡng phân Gr biệt dựa theo giá trò tỷ số : Re2,5 Gr ≤ 10-3 Re2,5 Dòng lưu chất đối lưu cưỡng 10-3 < 10- Gr ≤ 10-2 Re2,5 10- Gr ≥ 10-2 Re2,5 Gr Re2,5 Vùng hỗn Dòng lưu hợp dòng chất đối lưu đối lưu tự nhiên wdtr 4G N = Ở đây: Re = (11) ν πdtrρν Với: • w : vận tốc dòng, m/s • ν : độ nhớt động học lưu chất, m2/s • ρ : khối lượng riêng lưu chất, kg/m3 Trường hợp đối lưu tự nhiên: 2.3.1 Hệ số cấp nhiệt αN (hay αtr) trường hợp đối lưu tự nhiên xác đònh từ chuẩn số Nusselt (Nu): 0,75  H Gr.Pr dtr        Nu = × × (12) 1− exp− 16 32 H dtr Gr Pr         Trong đó: Trang Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt αN dtr α d = N tr λ λ βgdtr∆t Gr = ν2 ∆t = tVtr − tN Nu = Pr = ν a (trabảng ) Các thông số vật lý nước xác đònh nhiệt độ t +t trung bình: tN = , oC 2.3.2 Trường hợp đối lưu cưỡng bức: * Ở chế độ chảy màng (Re < 2300) với Re.Pr 1/ dtr >10 : H 0,14 dtr  µ    Nu = 1,86 Re.Pr   (13) H   µ Vtr   Các thông số vật lý xác đònh nhiệt độ trung bình t +t tN = , oC Riêng µVtr xác đònh nhiệt độ trung bình vách tVtr * Ở chế độ chuyển tiếp (2300 < Re < 10000) với 0,7 < Pr < 120 d tr > 50 : H Nu = 0,023Re0,8Pr1/3 (14) Nếu bỏ qua ảnh hưởng lực nâng với dòng chảy ta áp dụng công thức Mikhaev để tính Nu*: Nu* M= = f (Re) 0,14   Pr  Pr0,43  PrVtr  Giá trò thực nghiệm M cho bảng Bảng 2: Re.10-3 M 2, 2, 2, 3, 2, 4, 7, 3, 10 10 12, 16, 20 24 27 30 33 2.4 Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ: Hệ số cấp nhiệt trường hợp ngưng tụ tinh khiết bão hòa xác đònh tùy thuộc vào chế độ chảy dòng lỏng ngưng tụ Trang Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt Các trường hợp chất ngưng tụ chảy màng, hệ số cấp nhiệt ngưng tụ tinh khiết bề mặt ống đứng xác đònh theo công thức lý thuyết Nusselt (xác lập phương pháp giải tích): 0,25  gr ρ λ3  α C = 0,943 S C C   µ C H∆t  m (16) t +t   Ở đây: ∆t = tS − tVng =  tS −  , K   Caùc thông số vật lý xác đònh nhiệt độ trung bình tS + tVng o , C Riêng rS xác đònh nhiệt độ tS tm = nước bão hòa Công thức (16) biến đổi phương trình tiêu chuẩn đồng dạng sau: 0,25     α H νC rS gH  NuC = C = 0,943 λC λC  νC C PC (tS − tVng )    ρ C C PC  m 0,25 = 0,943(GaC PrC K )m = 0,943(K o )0m,25 (17) Ở đây: rS K= chuẩn số đồng dạng Kutalelagze C PC (tS − tVng ) Trường hợp nước ngưng tụ chảy màng không phụ thuộc vào vận tốc (tức không phụ thuộc vào Re), hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ chảy màng xác đònh từ chuẩn số Nu theo công thức thực nghiệm sau đây: 0,25 0,25  µ   µ  (18) Nu = 0,42(Ga.Pr.K )  S  = 0,42(K o )S0,28 S  µ  µ   Vng   Vng  Khác với công thức (16) thông số vật lý xác đònh nhiệt độ t S Riêng PrVng xác đònh nhiệt độ trung t +t bình vách tVng = , oC * C 0,28 S DỤNG CỤ – THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM : 3.1 Dụng cụ – thiết bò: (xem hình 2.2) 3.2 Phương pháp thí nghiệm: Chuẩn bò: 3.2.1 a) Chuẩn bò dụng cụ điều kiện thí nghiệm : 6) Chuẩn bò ống nghiệm đo nước ngưng tụ 7) Chuẩn bò ống nghiệm đo lượng nước chảy ống 8) Chuẩn bò nhiệt kế đo nhiệt độ nước ngưng tụ chảy 9) Chuẩn bò đồng hồ bấm giây để đo thời gian nước chảy ống thời gian nước ngưng tụ chảy Trang Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt 10) Kiểm tra nguồn điện, nguồn nước dụng cụ đo thiếtthí nghiệm b) Chuẩn bò cấp nước lạnh : 1) Khóa van V1, V4, S1 mở van V2 V5 2) Điều chỉnh chảy tràn vò trí mong muốn theo yêu cầu thí nghiệm 3) Mở van V1 điều chỉnh để giữ mực nước ổn đònh bình chảy tràn c) Chuẩn bò cấp nước : 1) Khóa van: S1, S3, S5, V3, V6, V8 2) Mở van S4 xả ngưng dư khóa lại 3) Mở van V7 4) Cho nước vào bình chứa đến ¾ chiều cao bình mở nắp bình Mở van V8 cấp nước cho nồi đun khóa van V8 mực nước nồi đun đạt 2/3 chiều cao ống mức 5) Đóng van V7 6) Cấp điện cho điện trở đun nước R áp suất nồi đun đạt khoảng 15PSI 7) Cấp điện cho điện trở R2 để gia nhiệt cho nước (nếu có R2) Tiến hành thí nghiệm: 1) Điều chỉnh dòng nước lạnh chảy ống theo yêu cầu thí nghiệm 2) Khi áp suất nồi đun đạt 15PSI, mở hoàn toàn van V mở từ từ van V6 điều chỉnh để áp suất vào buồng thí nghiệm khoảng 10PSI Van V6 phải mở để đủ ngưng tụ bề mặt ống truyền nhiệt áp suất buồng thí nghiệm xấp xỉ với áp suất khí 3) Khi trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn đònh, tiến hành đo đồng loạt đại lượng: - Lượng nước ngưng tụ khoảng thời gian đònh nhiệt độ nước ngưng tụ - Lượng nước chảy ống ống ống khoảng thời gian đònh - Nhiệt độ t1, t2, t3, t4 (đồng hồ số) - p suất nồi (áp kế P2) - Nhiệt độ nồi (đồng hồ đo nhiệt độ T2) - p suất đo đồng hồ đo áp suất P3 - Nhiệt độ vào buồng ngưng tụ đo đồng hồ đo nhiệt độ T3 * Trong đo thường xuyên quan sát mức nước bình chảy tràn mức nước nồi 3.2.2 Ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác: 1) Sau đo xong, ngắt điện cấp cbo nồi hơi, đóng van V 6, V7, mở van xả S5 Nạp nước vào bình chứa Mở van V cấp nước cho nồi khóa van V8 lại, khóa van xả S5 2) Khóa van V1, mở vòi xả S4 để xả nóng khóa vòi S4 lại 3.2.3 Trang Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt 3) Chuyển vò trí chảy tràn theo yêu cầu thí nghiệm lặp lại quy trình thao tác thí nghiệm trước 4) Các thí nghiệm tiến hành với vò trí ống chảy tràn sau: - Vò trí “0”: đối lưu tự nhiên - Vũ trớ ẵ, ắ,1, ẵ: ủoỏi lửu cửụừng Kết thúc thí nghiệm: 3.2.4 Trình tự thao tác kết thúc thí nghiệm: 1) Ngắt cầu dao điện cho nồi 2) Ngắt điện cho đồng hồ đo nhiệt độ số 3) Khóa van nguồn nước 4) Khóa mở van trạng trước làm thí nghiệm KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM : Bảng 3: Các đại lượng đo t1 (oC) t2 (oC) t3 (oC) t4 (oC) t’C (oC) PS (bar) tS (oC) t +t tN = , oC t +t tVng = , oC tVtr ≈ tVng , oC tm = tS + tVng , oC t + t'C o tC = S , C Vũ trớ taỏm chaỷy traứn (inch) ẵ ắ 1½ 33 32 32 32 31 89 71 74 83 82 65 44 41 39 37 88 70 79 82 87 54,5 38,5 42,5 52 58,5 0,981 0,981 0,981 0,981 0,981 99,1 99,1 99,1 99,1 99,1 49 38 36,5 35,5 34 88,5 70,5 76,5 82,5 84,5 88,5 70,5 76,5 82,5 84,5 93,8 84,8 87,8 90,8 91,8 76,8 68,8 70,8 75,55 78,8 Trang Thí nghiệm Quá trìnhThiết bò ∆t = tVtr − tN , K GN.103 (kg/s) GC.103 (kg/s) Đối lưu nhiệt 39,5 32,5 40 47 50,5 5,9640 0,3048 9,3004 0,2260 12,667 0,2658 14,079 0,2894 19,887 0,4177 Bảng 4: Các thông số vật lý CPN (J/kg.K) λ (W/mK) ρ (kg/m3) Nước ν.107 (m2/s) chảy β.104 (1/K) µ.104 (Ns/m2) ống Pr µVtr.104 (Ns/m2) CPC (J/kg.K) 3,711 4205,8 3,1308 3,0132 3,969 4202,6 0,6778 968,72 3,4868 3,3196 PrS PrVng 4219,2 0,6818 959,01 1,868 1,992 4219,2 0,6818 959,01 1,868 2,535 rS.10-3 (J/kg) 2264 2264 λC (W/mK) ρC (kg/m3) Nước ngưng tụ νC.107 (m2/s) µC.104 (Ns/m2) CPS (J/kg.K) λS (W/mK) ρS (kg/m3) Hơi nước bão hòa Vò trớ taỏm chaỷy traứn (inch) ẵ ắ 1ẵ 4178 4178 4178 4178 4178 0,6458 0,6308 0,6274 0,6268 0,6242 988,5 992,92 993,46 993,82 994,34 5,652 6,846 7,038 7,166 7,394 4,432 3,762 3,681 3,627 3,522 7,151 7,378 5,588 6,806 7,013 3,618 4,546 4,723 4,841 5,004 3,198 4214,0 0,6807 962,64 3,230 4209,2 0,6801 964,74 3,334 4210,8 0,6803 964,04 3,2328 3,1212 3,1998 3,0852 4219,2 0,6818 959,01 1,868 2,343 4219,2 0,6818 959,01 1,868 2,15 4219,2 0,6818 959,01 1,868 2,102 2264 2264 2264 0,6791 966,75 3,3568 3,2204 Bảng 5: Nhiệt lượng, tổn thất nhiệt Q1 (W) Vò trớ taỏm chaỷy traứn (inch) ẵ ắ 1ẵ 797,3563 466,282 476,290 411,757 498,522 Trang Thí nghiệm Quá trìnhThiết bò Q2 (W) 718,7954 ∆Q (W) -78,5609 540,530 74,2481 ∆Q (%) -9,8527 15,9234 Đối lưu nhieät 633,543 157,253 33,0162 683,941 272,183 66,1028 981,497 482,974 96,8813 Baûng 6: Vũ trớ taỏm chaỷy traứn (inch) ẵ ắ 1½ 4,841 5,004 3,618 4,546 4,723 1,992 2,535 2,343 2,15 2,102 Re Công thức Tra bảng Tra bảng (11) Gr (12b) NuN (12), (13) (12), (13) (6) 141285 9,209 Các đại lượng Pr PrVtr Trao đổi nhiệ t phía nước chảy ống Trao đổi nhiệ t phía nước ngưn g tụ Truye àn nhiệ t tổng quát NuN 984,9 (αN)TT hay (αtr)TT, W/m2.K (αN)TN hay (αtr)TN, W/m2.K (αC) TT, W/m2.K (16) 430,94 (αC) TN, W/m2.K (7) 2239,6 (NuC) TT (17) 6420,2 Q = Q1, W (1) 797,36 ∆Tlog, K (10) 48,348 KTT, W/m2.K (19) 406,49 KTN, W/m2.K (9) 623,62 K’TT, W/m2.K (20) 406,36 K’TT/ KTT (21) 0,9997 763,30 7164,9 1262, 67256 10,15 464,2 542,5 5456, 624,2 1671, 76636 11,45 520,5 450,2 5833, 925,8 1824, 85585 12,15 551,9 331,2 6351, 1360, 2495, 83874 13,64 616,9 373,2 6576, 2220, 4910, 5239, 5696, 5896, 466,2 60,90 427,8 289,5 427,7 0,999 476,2 62,49 477,9 288,2 477,7 0,999 411,7 63,53 507,8 245,0 507,6 0,999 498,5 65,05 564,0 289,7 563,8 0,999 Đồ thò 1: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI QUAN HỆ CỦA NuN THEO Re Trang 10 Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt 14 13 12 11 10 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 KTTĐồ thò 2: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI QUAN HỆ CỦA Ktt THEO Re (W/m2 K) 600 550 500 450 400 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 Đồ thò 3: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH GIỮA (αN)TN VÀ (αN)TT (α N)TN (W/m2 K) Trang 11 Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhieät 800 700 (α N)TN = (α N)TT 600 500 400 300 400 450 500 550 600 650 700 (α N)TT (W/m2 K) Đồ thò 4: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH GIỮA (αC)TN VÀ (αC)TT (α C)TN 8000 (W/m2 K) 7000 (α C)TN = (α C)TT 6000 5000 4000 3000 2000 1000 5400 5600 5800 6000 6200 6400 6600 6800 7000 7200 Trang 12 (α C)TT (W/m2 K) Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt Đồ thò 5: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH GIỮA KTN VÀ KTT KTN 700 (W/m2 K) 600 KTN = KTT 500 400 300 200 400 450 500 550 600 KTT (W/m2 K) BÀN LUẬN : Câu 1: Giải thích thí nghiệm với chảy tràn mức “0” mà nửụực oỏng vaón chaỷy Mửực 0, ẳ, ẵ, ắ, 1, ẳ,1 ẵ laứ khoaỷng caựch tớnh theo inch mực nước bình chảy tràn so với vò trí cao ống dẫn nước lạnh bình trao đổi nhiệt Trước thí nghiệm, chảy tràn để vò trí “0” cấp đủ nước cho bình chảy tràn nước không chảy ống đứng thoát lúc mực nước bình chảy tràn với vò trí cao ống ⇒ ∆P = ⇒ nước chảy chênh lệch áp suất Khi tiến hành thí nghiêm với chảy tràn vò trí “0” nước ống đứng có chảy ta dùng nước để cấp nhiệt làm cho dòng lạnh bò nóng lên vào buồng thí nghiệm→ có đối lưu nhiệt tự nhiên Đó tượng chuyển động lưu chất có chênh lệch mật độ (khối lượng riêng) vùng có nhiệt độ khác Trang 13 Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt Câu 2: Nhận xét mức độ tổn thất nhiệt Mức độ tổn thất nhiệt thí nghiệm là: Mức độ tổn thất nhiệt ∆Q (%) -9,8527 Vò trí chảy tràn (inch) ½ ¾ 1½ 15,9234 33,0162 66,1028 96,8813 Đồ thò 6: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ĐẾN MỨC ĐỘ TỔN THẤT NHIỆT ∆Q (%) 90 70 50 30 Vò trí chảy 10 -10 ẵ 1 ẵ Ta nhận thấy vò trí chảy tràn cao mức độ tổn thất nhiệt tăng Và mức độ tổn thất nhiệt đạt giá trò cao ∆Q = 96,8813% chảy tràn vò trí “1½” Đây mức độ tổn thất lớn, làm tiêu hao nhiều lượng trình Khi chảy tràn vò trí “0” (xảy tượng đối lưu tự nhiên) ∆Q = -9,8527% < Đây giá trò không hợp lý nhiệt lượng tỏa nước ngưng tụ nhỏ nhiệt lượng dòng lạnh nhận Nguyên nhân không hợp lý sai số trình thí nghiệm Tuy nhiên, ta kết luận mát nhiệt chảy tràn vò trí “0” nhỏ nhất, có giá trò bé coi gần mát nhiệt Đó chảy tràn vò trí “0”, có nghóa chênh lệch cột áp 0, dòng nước lạnh muốn chuyển động qua buồng thí nghiệm bắt buộc phải hấp thu nhiệt dòng để xảy tượng đối lưu tự nhiên Cho nên, lượng nhiệt mà dòng lạnh cần lớn → hiệu trao đổi nhiệt cao → mức độ tổn thất nhiệt Khi chảy tràn vò trí cao chênh lệch cột áp lớn Dòng lạnh tự có đủ lượng để chuyển động qua buồng trao đổi nhiệt, hiệu trao đổi nhiệt thấp → mức độ tổn thất nhiệt nhiều Trang 14 Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt Sự mát nhiệt nhiều vò trí chảy tràn cuối không lý mà sai số trình thí nghiệm Câu 3: Nhận xét giải thích ảnh hưởng vò trí chảy tràn lên hệ số α tr, α ng K Hệ số (αN)TT, W/m2.K (αN)TN, W/m2.K (αC)TT, W/m2.K (αC)TN, W/m2.K KTT, W/m2.K KTN, W/m2.K Vò 430,94 763,30 7164,9 2239,6 406,49 623,62 trí chảy tràn (inch) ½ ¾ 1½ 464,27 520,59 551,98 616,98 542,51 450,25 331,27 373,28 5456,6 5833,5 6351,4 6576,7 624,2 925,8 1360,7 2220,2 427,86 477,94 507,84 564,06 289,50 288,20 245,06 289,77 Đồ thò 7: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ĐẾN αN αN 800 (W/m2 K) 700 600 (α N)TT 500 400 (α N)TN 300 “0” “½ 1 ẵ Vũ trớ taỏm chaỷy Khi vò trí chảy tràn cao (αN)TT tăng vì: - Tấm chảy tràn cao chênh lệch cột áp lớn → lưu lượng dòng lạnh tăng → vận tốc dòng lạnh tăng → Re tăng - Tấm chảy tràn cao hiệu truyền nhiệt thấp → nhiệt độ trung bình dòng lạnh giảm → Pr µ tăng ⇒ Nu tăng (công thức (13)) ⇒ (αN)TT tăng Khi vò trí chảy tràn cao (αN)TN nhìn chung giảm vì: ngoại trừ vò trí chảy tràn (đối lưu tự Trang 15 Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt nhiên) vò trí chảy tràn cao (đối lưu cưỡng bức), nhiệt lượng mà dòng lạnh nhận thay đổi không đáng kể, ∆t = tVtr − tN tăng (do hiệu truyền nhiệt giảm) nên theo công thức (6) ⇒ αtr giảm Đây giá trò khó giải thích cách xác tính toán dựa giả thiết mát nhiệt, số liệu công thức lại lấy từ kết thí nghiệm (có mát nhiệt xảy ra) Đồ thò 8: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ÑEÁN αC αC 8000 (W/m2 K) (α C)TT 6000 4000 ( C)TN 2000 0 ẵ “1 ½” Vò trí chảy Ngoại trừ vò trí chảy tràn (đối lưu tự nhiên) vò trí chảy tràn cao (đối lưu cưỡng bức): vò trí chảy tràn cao αC tăng Do nhiệt lượng mà dòng nóng tỏa tăng t Vng tăng nên theo công thức (7) ⇒ αng tăng Đồ thò 9: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ĐẾN K K (W/m2 K) Trang 16 Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhieät 700 600 KTT 500 400 KTN 300 200 “0” ẵ ắ 1 ẵ Vũ trớ Khi vò trí chảy tràn cao K TT tăng Do (αtấm N)TT chảy (αC)TT tăng ♣ Nói chung khó nhận xét giải thích cách xác ảnh hưởng vò trí chảy tràn áp suất vào buồng thí nghiệm P vò trí chảy tràn khác độ mở van V dòng vào buồng thí nghiệm khác nhau, ảnh hưởng đến tính xác việc so sánh Bên cạnh đó, có sai số trình thí nghiệm Câu 4: So sánh giải thích mối tương quan giá trò tính toán giá trò thực nghiệm hệ số cấp nhiệt phía nước ống, phía nước ngưng tụ ống hệ số truyền nhiệt tổng quát * Hệ số cấp nhiệt phía dòng nước lạnh chảy ống: Dựa vào đồ thò ⇒ có giá trò (αN)TN < (αN)TT, có giá trò (αN)TN > (αN)TT, chảy tràn vò trí “0” “½” * Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ ống: Dựa vào đồ thò ⇒ tất vò trí chảy tràn (αC)TN < (αC)TT * Hệ số truyền nhiệt tổng quát: Dựa vào đồ thò ⇒ có giá trò KTN < KTT, có giá trò KTN > KTT, chảy tràn vò trí “0”  Giải thích: theo lý thuyết, giá trò thực nghiệm phải giá trò tính toán Nhưng thí nghiệm này, giá trò thực nghiệm nhìn chung nhỏ giá trò tính toán Bởi : Các giá trò thực nghiệm giá trò tính dựa giả thiết không xảy mát nhiệtnhiệt lượng Q công thức tính giá trò thực nghiệm nhiệt lượng mà dòng nước lạnh nhận Nhưng thực tế xảy mát nhiệt, nghóa nhiệt lượng tỏa nước ngưng tụ lớn nhiệt lượng dòng nước lạnh nhận Trang 17 Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt Cho nên giá trò tính toán hệ số cấp nhiệt truyền nhiệt lớn giá trò thực nghiệm Có giá trò thực nghiệm lớn giá trò tính toán, có sai số trình thí nghiệm Câu 5: Nhận xét ảnh hưởng nhiệt trở thành δV   ống   λV  Hệ số KTT, W/m2.K K’TT, W/m2.K K’TT/ KTT Vò trí chảy tràn (inch) ½ ¾ 1½ 870,30 427,86 477,94 507,84 564,06 869,70 427,72 477,76 507,64 563,81 0,9993 0,9997 0,9996 0,9996 0,9996 Ta nhaän thấy rằng: nhiệt trở thành ống làm giảm hệ số truyền nhiệt tổng quát (K’ TT < KTT), có nghóa làm giảm hiệu truyền nhiệt Nhưng giảm không đáng kể, thể qua tỉ số K’ TT/ KTT xấp xỉ Cho nên tính toán người ta thường bỏ qua ảnh hưởng Câu 6: Nhận xét độ tin cậy kết thí nghiệm, ước lượng sai số nguyên nhân dẫn đến sai số * Độ tin cậy kết thí nghiệm: Độ tin cậy kết thí nghiệm mức trung bình Nguyên nhân yêu cầu thí nghiệm, tiến hành đo trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn đònh Nhưng thực tế ta nhận biết chế độ ổn đònh cách tương đối, dựa vào lượng nước ngưng tụ chảy cách đặn, có độ xác cao Việc chọn sai thời điểm đo ảnh hưởng đến toàn kết thí nghiệm * Ước lượng sai số: Đồ thò 1: xk (Re) 984,9 1262,3 1671,4 1824,0 2495,6 x =1647,7 yk (NuN) 9,209 10,157 11,451 12,153 13,640 y = 11,322 n 1 2 2 σ x = ∑ xk − x = ∑ xk − x2 = 267691,507 ⇒ σx = 517,389 n k=1 k=1 n 1 σ 2y = ∑ y2k − y2 = ∑ y2k − y2 = 2,381 ⇒ σy = 1,543 n k=1 k=1 n 1 µ 11 = ∑ xk yk − xy = ∑ xk yk − xy = 793,019 n k=1 k=1 µ 11 Hệ số tương quan tuyến tính: ρ = = 0,993 ≈ σ xσ y ⇒ Quan hệ NuN = f(Re) quan hệ tuyến tính: y = ax + b p dụng phương pháp bình phương cực tiểu: Trang 18 Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt 5  b + a x = yk ∑ ∑ k  ,3a = 56,6091 a = 2,96.10−3 5b + 8238 k=1 k=1 ⇔ ⇔    5 ,3b + 14912391 ,3a = 97237 ,6 b = 6,44 8238 b∑ xk + a∑ x2k = ∑ xk yk  k=1 k=1 k=1 Nên: y = 2,96.10-3x + 6,44 Khi ta có đồ thò sau: NuN 14 13 12 11 10 900 1200 1500 xk yk yk * ∆yk = yk - yk* ∆y γ = * k × 100% yk 984,9 9,209 9,355 -0,147 1,567% 1262,3 10,157 10,177 -0,020 0,194% 1671,4 11,451 11,387 0,063 1824,0 12,153 11,839 0,314 1262,3 427,86 1671,4 477,94 1824,0 507,84 2495,6 564,06 Đồ thò 2: xk (Re) 984,9 yk (KTT) 406,49 1800 2100 2400 2700 2495,6 13,640 13,827 -0,187 0,555% 2,649% 1,351% x =1647,7 y= 476,839 n 2 x − x = xk − x2 = 267691,507 ⇒ σx = 517,389 ∑ ∑ k n k=1 k=1 n 1 σ 2y = ∑ y2k − y2 = ∑ y2k − y2 = 3183,631 ⇒ σy = 56,424 n k=1 k=1 n 1 µ 11 = ∑ xk yk − xy = ∑ xk yk − xy = 28990,735 n k=1 k=1 µ 11 Hệ số tương quan tuyến tính: ρ = = 0,993 ≈ σ xσ y ⇒ Quan heä KTT = f(Re) quan hệ tuyến tính: y = ax + b p dụng phương pháp bình phương cực tiểu: σ 2x = Trang 19 Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt 5  b + a x = yk ∑ ∑ k  ,3a = 2384,19 5b + 8238 a = 0,1083 k=1 k=1 ⇔ ⇔  5 ,3b + 14912391 ,3a = 4073297 ,7 b = 298,387 8238 b∑ xk + a∑ x2k = ∑ xk yk  k=1 k=1 k=1 Neân: y = 0,1083x + 298,387 Khi ta có đồ thò sau: TT 600 550 500 450 400 900 xk yk yk * 1200 1500 984,9 406,49 405,05 1,439 1800 1262,3 427,86 435,09 ∆yk -7,237 ∆y γ = * k × 100% 0,355% 1,663% yk 2100 1671,4 477,94 479,40 -1,466 0,306% 2400 2700 1824,0 507,84 495,92 11,918 2495,6 564,06 568,66 -4,602 2,403% 0,809% ⇒ Sai số phép đo NuN = f(Re) KTT = f(Re) nhỏ * Những nguyên nhân dẫn đến sai số: - Giá trò đồng hồ số không ổn đònh, thường dao động, kết đọc giá trò trung bình Vì độ xác cao - Ta đọc lúc giá trò đồng hồ số (do phải vặn núm điều chỉnh đến giá trò cần đo), mà giá trò lại thay đổi nhanh, thời điểm đo chế độ truyền nhiệt chưa thực đạt chế độ ổn đònh → dẫn đến sai số việc tính toán hiệu (t3 – t1) công thức tính Q1 - Việc xác đònh lưu lượng nước ống đong đồng hồ bấm dễ dẫn đến sai số Do sai sót việc đọc giá trò ống đong xác đònh thời gian đồng hồ kim Trang 20 Thí nghiệm Quá trìnhThiết bò - - Đối lưu nhiệt Giá trò (αN)TT tính với điều kiện chế độ chảy màng, thực tế chế độ chảy dòng nước lạnh ống không chảy màng hoàn toàn mà chế độ chuyển tiếp Đó ta phải điều chỉnh van cấp nước V1 để đảm bảo mực nước bình chảy tràn không bò tụt xuống (do nước ngừng cấp) nên làm ảnh hưởng đến lưu lượng dòng nước lạnh Giá trò (αN)TT tính với giả thiết chất ngưng tụ chảy màng, ngưng tụ tinh khiết bề mặt ống đứng, thực tế không đáp ứng hoàn toàn xác điều kiện nên dẫn đến sai số PHỤ LỤC : 6.1 Xử lý sơ kết đo: Từ kết đo ghi bảng 1, thực việc chuyển đổi đơn vò đo nhiệt độ, áp suất, tính lưu lượng nước đưa vào bảng toC = (toF − 32) [2] 1PSI = 0,069bar [2] 1at = 0,981bar [2] Vì áp suất buồng thí nghiệm xấp xỉ với áp suất khí ⇒ coi với áp suất khí ⇒ PS ≈ 1at = 0,981bar ⇒ tS = 99,1oC (p314) [1] V Lưu lượng thể tích : G V = t • V: thể tích nước đo (m3) • t: thời gian đo (s) V Lưu lượng khối lượng: G = GV ρ = ρ t 6.2 Xác đònh thông số phục vụ tính toán: Các thông số vật lý tham gia trình tính toán gồm có: Các thông số vật lý nước chảy ống: CPN, λ, ρ, 6.2.1 ν, β, Pr, µ, µVtr Các thông số đươc xác đònh nhiệt độ trung bình t +t nước chảy ống tN = (bảng 3) Riêng µVtr xác đònh nhiệt độ tVtr ≈ tVng Tra bảng 1.249, p310, [1] Các thông số nước ngưng tụ áp suất thí nghiệm: 6.2.2 CPC, λC, ρC, νC, µC, CPS, λS, ρS, PrS, Prvtr • Các thông số có số “c” xác đònh nhiệt độ trung t +t bình tm = S Vng (bảng 3) • Các thông số có số “s” xác đònh nhiệt độ tS Trang 21 Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt Các thông số có số “vng” xác đònh nhiệt độ tVng Tra bảng 1.249, p310, [1] Các thông số vật lý nước bão hòa áp suất 6.2.3 thí nghiệm: • rS xác đònh nhiệt độ tS nước bão hòa Tra bảng 1.251, p314, [1] Kết xác đònh thông số vật lý đưa vào bảng • 6.3 Tính toán nhiệt lượng, xác đònh tổn thất nhiệt: • 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 ì 100% Tyỷ leọ toồn thaỏt nhieọt: ∆Q(%) = Q1 Kết tính toán đưa vào bảng 6.4 Tính toán xác đònh hệ số cấp nhiệt phía nước chảy ống: Ở trường hợp đối lưu tự nhiên (ứng với thí nghiệm vò trí “0” chảy tràn), Nu αN (αtr) tính toán theo công thức (12) Trường hợp đối lưu cưỡng (ửựng vụựi thớ nghieọm ụỷ vũ trớ ẵ, ắ, 1, ½” chảy tràn) Nu αN (αtr) tính toán theo công thức (13) (14) tùy theo chế độ chảy cụ thể Các giá trò αN (αtr) tính toán trường hợp gọi hệ số cấp nhiệt tính toán (αN)TT hay (αtr)TT Giá trò αN (αtr) xác đònh từ công thức (6) gọi hệ số cấp nhiệt thực nghiệm (αN)TN hay (αtr)TN Kết tính toán đưa vào bảng 6.5 Tính toán xác đònh hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ: Trường hợp nước ngưng tụ chảy màng, hệ số cấp nhiệt αC tính theo công thức (16) suy từ Nu công thức (17) Hệ số αC Nu tính theo công thức (16) (17) gọi giá trò tính toán (αC)TT, (Nu)TT Hệ số cấp nhiệt thực nghiệm (αC)TN phía nước ngưng tụ tính theo công thức (7) Kết tính toán đưa vào bảng 6.6 Tính hệ số truyền nhiệt tổng quát: Hệ số truyền nhiệt tổng quát tính theo công thức: (α ) × (α C )TT K TT = = N TT 1 (α N )TT + (α C )TT , W/m2.K (19) + (α N )TT (α C )TT Ở đây: KTT hệ số truyền nhiệt tổng quát (tính theo (αN)TT δ  (αC)TT, bỏ qua ảnh hưởng nhiệt trở thành ống  V   λV  Trang 22 Thí nghiệm Quá trìnhThiếtĐối lưu nhiệt Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN tính theo công thức (9), Q = Q1 Tính hệ số truyền nhiệt có kể đến ảnh hưởng nhiệt  δV   : trở thành ống   λV  K 'TT = δ 1 , W/m2.K (20) + V + (α N )TT λ V (α C )TT Tính toán so sánh KTT với K’TT: δV K 'TT = , = const δV K TT λV (21) 1+ K TT λV Keát tính toán hệ số truyền nhiệt đưa vào bảng TÀI LIỆU THAM KHẢO : [1] Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình Thiết bò Công nghệ Hóa chất – Tập 1”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 626tr [2] Phạm Văn Bôn –Vũ Bá Minh – Hoàng Minh Nam, “Quá trình Thiết bò Công Nghệ Hóa Học – Tập 10: Ví dụ Bài tập”, ĐHBK Tp.HCM, 468tr Trang 23 ... đổi nhiệt, hiệu trao đổi nhiệt thấp → mức độ tổn thất nhiệt nhiều Trang 14 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bò Đối lưu nhiệt Sự mát nhiệt nhiều vò trí chảy tràn cuối không lý mà sai số trình thí. .. riêng) vùng có nhiệt độ khác Trang 13 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bò Đối lưu nhiệt Câu 2: Nhận xét mức độ tổn thất nhiệt Mức độ tổn thất nhiệt thí nghiệm là: Mức độ tổn thất nhiệt ∆Q (%) -9,8527... chung giảm vì: ngoại trừ vò trí chảy tràn (đối lưu tự Trang 15 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bò Đối lưu nhiệt nhiên) vò trí chảy tràn cao (đối lưu cưỡng bức), nhiệt lượng mà dòng lạnh nhận thay đổi
- Xem thêm -

Xem thêm: thí nghiệp quá trình thiết bị đối lưu nhiệt, thí nghiệp quá trình thiết bị đối lưu nhiệt

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn

Nhận lời giải ngay chưa đến 10 phút Đăng bài tập ngay