Thí nghiệm Q trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt Q TRÌNH ĐỐI LƯU NHIỆT TRÍCH YẾU : Mục đích thí nghiệm: 1.1 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 bị phương pháp thí nghiệm trao đổi nhiệt đối lưu 3) Khảo sát thực nghiệm hệ số cấp nhiệt dòng lưu chất khơng có 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 Phương pháp thí nghiệm: 1.2 Chuẩn bị dụng cụ điều kiện thí nghiệm → chuẩn bị cấp nước lạnh → chuẩn bị cấp nước → trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định tiến hành đo đồng loạt đại lượng → ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác (tiến hành thí nghiệm ứng với vị trí chảy tràn) → kết thúc thí nghiệm Kết thí nghiệm: 1.3 Bảng 1: ST T Vị trí chảy tràn (inch) ½ ¾ 1½ 33 32 32 32 31 89 71 74 83 82 65 44 41 39 37 88 70 79 82 87 208 208 208 208 208 234 238 238 238 240 11 10 10,5 10 11 14 12,5 13,5 13,5 19 14 16,5 18 26 Các đại lượng đo t1 (oC) t2 (oC) t3 (oC) t4 (oC) Nhiệt độ theo T3 (oF) Nhiệt độ theo T2 (oF) Ap suất theo P3 (PSI) Ap suất theo P2 (PSI) Lượng nước ngưng (ml) Trang Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị 10 11 12 13 Đối lưu nhiệt Thời gian đo lượng nước ngưng (s) Nhiệt độ nước ngưng t’C (oC) Lượng nước chảy ống (ml) Thời gian đo nước chảy ống (s) 60 54,5 362 60 60 38,5 562 60 60 42,5 765 60 60 52 850 60 58,5 120 60 60 LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM : Sự truyền nhiệt nước bão hòa ngưng tụ bề mặt ngồi 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 khơng có biến đổi pha (dòng nước lạnh chảy ống) Bỏ qua nhiệt trở thành ống Sự ngưng tụ nước thiết bị thí nghiệm xem ngưng tụ với màng chảy xếp lớp (chảy màng) Trang Thí nghiệm Q trình – Thiết bị Ftr Fng αN = αtr αC = αng Đối lưu nhiệt tS tN tVtr tVng dtr δV δC dng Hình 1: Sơ đồcơ chế truyền nhiệtđốilưu 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 biểu diễn hình δV, δC : bề dày thành ống bề dày màng nước ngưng tụ, m dtr, dng : đường kính ngồi ống, m Ftr, Fng : diện tích bề mặt bên bên ngồi ống đứng có chiều cao H, m2 ts : nhiệt độ nước bão hòa, oC tN: nhiệt độ trung bình nước ống, oC tVtr, tVng:nhiệt độ trung bình vách vách ống, oC αC = αng:hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ (phía lưu chất bên ngoài), W/m 2.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 (1) Nhiệt lượng tỏa nước ngưng tụ: Trang Thí nghiệm Q trình – Thiết bị Q2 = GC[r + CPC(tS - Đối lưu nhiệt tC )], W (2) Trong trường hợp truyền nhiệt ổn định khơng có 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 nghiệm, oC • tC : nhiệt độ trung bình nước ngưng tụ, oC tC = • t’C tS + t'C , oC (4) : 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 định nhiệt độ trung bình nước, J/kg.K tN = t1 + t3 , oC (5) tC • CPC : nhiệt dung riêng nước sau ngưng tụ nhiệt độ • r : ẩn nhiệt ngưng tụ nước bão hòa nhiệt độ tS, J/kg , J/kg.K Sự cân nhiệt thực phương trình truyền nhiệt đối lưu chế độ ổn định khơng có tổn thất nhiệt: Q = Q’1 = Q’2 Trong đó: Q’1 = qtrFtr = αtr(tVtr - tN )Ftr, W Trang Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị ⇒ α tr = Đối lưu nhiệt Q'1 (tVtr − tN )Ftr , W/m2.K (6) Q’2 = qngFng = αng(tS - tVng)Fng, W ⇒ α ng = Q'2 (tS − tVng )Fng , W/m2.K (7) Theo lý thuyết: Q’1 = Q’2 = Q1 = Q2 = Q Từ cơng thức (6) (7) xác định hệ số cấp nhiệt thực nghiêm phía dòng lạnh ống (αtr) hệ số cấp nhiệt phía nước bão hòa ngưng tụ bề mặt ngồi ống (αng) Trong trường hợp nhiệt trở vách truyền nhiệt khơng đáng kể (ống đồng có hệ số dẫn nhiệt lớn: λV = 1272 W/mK thành ống mỏng), ta có: tVtr ≈ tVng = , oC (8) tVtr , tVng • • t2 + t4 : nhiệt độ trung bình vách vách ngồi 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: K= Q Ftr∆tlog , W/m2.K • (9) Q : nhiệt lượng tính theo cơng thức (1) ∆t log= (tS − t3 ) − (tS − t1) (t − t ) ln S (tS − t1) ,K (10) Trang Thí nghiệm Q trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (hệ số cấp nhiệt) phía dòng nước lạnh chảy 2.3 ống (α N hay α tr) Hệ số cấp nhiệt αN (hay αtr) xác định 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 biệt dựa theo giá trị tỷ số Gr Re2,5 Gr Re2,5 : ≤ 10-3 10-3 < Gr Re2,5 ≤ 10-2 10-3 Dòng lưu chất đối lưu cưỡng Re = Ở đây: Gr Re2,5 ≥ 10-2 Gr Re2,5 10-2 Vùng hỗn hợp dòng đối lưu wdtr 4G N = ν πdtrρν Dòng lưu chất đối lưu tự nhiên (11) Với: • w : vận tốc dòng, m/s • ν : độ nhớt động học lưu chất, m2/s • ρ : khối lượng riêng lưu chất, kg/m3 2.3.1 Trường hợp đối lưu tự nhiên: Hệ số cấp nhiệt αN (hay αtr) trường hợp đối lưu tự nhiên xác định từ chuẩn số Nusselt (Nu): Trang Thí nghiệm Q trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt 0,75  H Gr Pr dtr        Nu = × × 1− exp− 16 32 H  dtr Gr.Pr         (12) Trong đó: α N dtr α d = N tr λ λ β gdtr ∆t Gr = ν2 ∆t = tVtr − tN Nu = Pr = ν a (trabảng ) tN = Các thơng số vật lý nước xác định nhiệt độ trung bình: 2.3.2 t1 + t3 , oC Trường hợp đối lưu cưỡng bức: * Ở chế độ chảy màng (Re < 2300) với Re.Pr dtr  Nu = 1,86 Re.Pr  H  1/  µ    µ  Vtr  dtr H >10 : 0,14 (13) tN = Các thông số vật lý xác định nhiệt độ trung bình t1 + t3 , oC Riêng µVtr xác định nhiệt độ trung bình vách tVtr * Ở chế độ chuyển tiếp (2300 < Re < 10000) với 0,7 < Pr < 120 Nu = 0,023Re0,8Pr1/3 dtr H > 50 : (14) Trang Thí nghiệm Q trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt Nếu bỏ qua ảnh hưởng lực nâng với dòng chảy ta áp dụng cơng thức Mikhaev để tính Nu*: Nu* M= Pr 0,43  Pr     PrVtr  0,14 = f (Re) Giá trị thực nghiệm M cho bảng Bảng 2: Re.10-3 M 2,2 2,3 2,5 3,5 2,2 3,6 4,9 7,5 10 12, 2.4 16, 20 24 27 30 10 33 Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ: Hệ số cấp nhiệt trường hợp ngưng tụ tinh khiết bão hòa xác định tùy thuộc vào chế độ chảy dòng lỏng ngưng tụ Các trường hợp chất ngưng tụ chảy màng, hệ số cấp nhiệt ngưng tụ tinh khiết bề mặt ống đứng xác định 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 Ở đây: t +t   ∆t = tS − tVng =  tS −    (16) ,K tm = Các thông số vật lý xác định nhiệt độ trung bình tS + tVng , oC Riêng rS xác định nhiệt độ tS nước bão hòa Cơng 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 Trang Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị = Đối lưu nhiệt 0,943(GaC PrC K )0m,25 = 0,943(K o )0m,25 (17) Ở đây: rS C PC (tS − tVng ) K= chuẩn số đồng dạng Kutalelagze Trường hợp nước ngưng tụ chảy màng không phụ thuộc vào vận tốc (tức khơng phụ thuộc vào Re), hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ chảy màng xác định từ chuẩn số Nu theo công thức thực nghiệm sau đây: Nu = 0,42(Ga.Pr K ) * C  µS    µ   Vng  0,28 S 0,25 = 0,42(K )  µS    µ   Vng  0,25 0,28 o S (18) Khác với công thức (16) thông số vật lý xác định nhiệt độ t S tVng = Riêng PrVng xác định nhiệt độ trung bình vách t2 + t4 , oC DỤNG CỤ – THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM : 3.1 Dụng cụ – thiết bị: (xem hình 2.2) 3.2 Phương pháp thí nghiệm: 3.2.1 Chuẩn bị: a) Chuẩn bị dụng cụ điều kiện thí nghiệm : 6) Chuẩn bị ống nghiệm đo nước ngưng tụ 7) Chuẩn bị ống nghiệm đo lượng nước chảy ống 8) Chuẩn bị nhiệt kế đo nhiệt độ nước ngưng tụ chảy 9) Chuẩn bị đồng hồ bấm giây để đo thời gian nước chảy ống thời gian nước ngưng tụ chảy 10) Kiểm tra nguồn điện, nguồn nước dụng cụ đo thiết bị thí nghiệm b) Chuẩn bị cấp nước lạnh : 1) Khóa van V1, V4, S1 mở van V2 V5 2) Điều chỉnh chảy tràn vị trí mong muốn theo yêu cầu thí nghiệm 3) Mở van V1 điều chỉnh để giữ mực nước ổn định bình chảy tràn Trang Thí nghiệm Q trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt c) Chuẩn bị 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) 3.2.2 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 V điều chỉnh để áp suất vào buồng thí nghiệm khoảng 10PSI Van V phải mở để đủ ngưng tụ bề mặt ống truyền nhiệt áp suất buồng thí nghiệm xấp xỉ với áp suất khí 3) Khi q trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định, tiến hành đo đồng loạt đại lượng: - Lượng nước ngưng tụ khoảng thời gian định nhiệt độ nước ngưng tụ - Lượng nước chảy ống ống ống khoảng thời gian định - Nhiệt độ t1, t2, t3, t4 (đồng hồ số) - Ap suất nồi (áp kế P2) - Nhiệt độ nồi (đồng hồ đo nhiệt độ T2) - Ap 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 Trang 10 Thí nghiệm Q trình – Thiết bị 3.2.3 Đối lưu nhiệt 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 V lại, khóa van xả S5 2) Khóa van V1, mở vòi xả S4 để xả nóng khóa vòi S4 lại 3) Chuyển vị trí chảy tràn theo yêu cầu thí nghiệm lặp lại quy trình thao tác thí nghiệm trước 4) Các thí nghiệm tiến hành với vị trí ống chảy tràn sau: - Vị trí “0”: đối lưu t nhiờn - V trớ ẵ, ắ,1, ẵ: i lưu cưỡng 3.2.4 Kết thúc thí nghiệm: 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: Trang 11 Thí nghiệm Q trình – Thiết bị Các đại lượng đo o t1 ( C) t2 (oC) t3 (oC) t4 (oC) t’C (oC) PS (bar) tS (oC) tN = t1 + t3 33 89 65 88 54,5 0,981 99,1 49 Vị trí chy trn (inch) ẵ ắ 32 32 32 71 74 83 44 41 39 70 79 82 38,5 42,5 52 0,981 0,981 0,981 99,1 99,1 99,1 38 36,5 35,5 31 82 37 87 58,5 0,981 99,1 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 39,5 32,5 40 47 50,5 5,9640 0,30484 9,3004 0,22604 12,667 0,26586 14,079 0,28942 19,887 0,41775 1½ , oC t2 + t4 tVng = Đối lưu nhiệt , oC tVtr ≈ tVng , oC tm = tC = tS + tVng , oC tS + t'C , oC ∆t = tVtr − tN ,K GN.10 (kg/s) GC.103 (kg/s) Bảng 4: Các thông số vật lý Nước chảy ống CPN (J/kg.K) 4178 0,6458 λ (W/mK) 988,5 ρ (kg/m3) 5,652 ν.10 (m /s) 4,432 β.10 (1/K) µ.104 (Ns/m2) 5,588 Pr 3,618 µVtr.10 (Ns/m ) 3,198 CPC (J/kg.K) 4214,08 Vị trí chảy tràn (inch) ẵ ắ 4178 4178 4178 0,6308 0,6274 0,6268 992,92 993,46 993,82 6,846 7,038 7,166 3,762 3,681 3,627 7,151 6,806 7,013 4,546 4,723 4,841 3,969 3,711 3,230 4202,68 4205,8 4209,28 Trang 12 1½ 4178 0,6242 994,34 7,394 3,522 7,378 5,004 3,334 4210,88 Thí nghiệm Q trình – Thiết bị Nước ngưng tụ Hơi nước bão hòa Đối lưu nhiệt λC (W/mK) ρC (kg/m3) νC.107 (m2/s) µC.104 (Ns/m2) CPS (J/kg.K) λS (W/mK) ρS (kg/m3) PrS PrVng 0,68076 962,64 3,1308 3,0132 4219,28 0,68182 959,012 1,868 1,992 0,67788 968,728 3,4868 3,3196 4219,28 0,68182 959,012 1,868 2,535 0,67912 966,752 3,3568 3,2204 4219,28 0,68182 959,012 1,868 2,343 0,68016 964,74 3,2328 3,1212 4219,28 0,68182 959,012 1,868 2,15 0,68036 964,04 3,1998 3,0852 4219,28 0,68182 959,012 1,868 2,102 rS.10-3 (J/kg) 2264 2264 2264 2264 2264 Bảng 5: Nhiệt lượng, tổn thất nhiệt Q1 (W) Q2 (W) ∆Q (W) ∆Q (%) 797,3563 718,7954 -78,5609 -9,8527 Vị trí tm chy trn (inch) ẵ ắ 466,2824 476,2901 411,7578 540,5305 633,5432 683,9414 74,2481 157,2531 272,1835 15,9234 33,0162 66,1028 1½ 498,5223 981,4972 482,9749 96,8813 Bảng 6: Pr PrVtr Re Gr NuN thức Tra bảng Tra bảng (11) (12b) (12), Vị trớ tm chy trn (inch) ẵ ắ 3,618 4,546 4,723 4,841 1,992 2,535 2,343 2,15 984,9 1262,3 1671,4 1824,0 1412859 672566 766361 855851 9,209 10,157 11,451 12,153 1½ 5,004 2,102 2495,6 838741 13,640 (αN)TT hay (13) (12), 430,94 464,27 520,59 551,98 616,98 (6) 763,30 542,51 450,25 331,27 373,28 (16) (7) 7164,9 2239,6 5456,6 624,2 5833,5 925,8 6351,4 1360,7 6576,7 2220,2 Các đại lượng Trao đổi nhiệt phía nước chảy ống (αtr)TT, W/m2.K (αN)TN hay (αtr)TN, W/m2.K (αC) TT, W/m2.K (αC) TN, W/m2.K Cơng (13) Trang 13 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Trao Đối lưu nhiệt (NuC) TT (17) 6420,2 4910,2 5239,8 5696,3 5896,6 Q = Q1, W ∆Tlog, K KTT, W/m2.K KTN, W/m2.K K’TT, W/m2.K K’TT/ KTT (1) (10) (19) (9) (20) (21) 797,36 48,348 406,49 623,62 406,36 0,9997 466,28 60,903 427,86 289,50 427,72 0,9997 476,29 62,492 477,94 288,20 477,76 0,9996 411,76 63,536 507,84 245,06 507,64 0,9996 498,52 65,054 564,06 289,77 563,81 0,9996 đổi nhiệt phía Truyền nhiệt tổng quát NuN KTT Đồ thị 1: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI QUAN HỆ CỦA NuN THEO Re Đồ thị 2: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI QUAN HỆ CỦA Ktt THEO Re (W/m K) Đồ thị 3: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH GIỮA (αN)TN VÀ (αN)TT (α N)TN (W/m2.K) Đồ thị 4: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH GIỮA (αC)TN VÀ (αC)TT Re (α C)TN (W/m2.K) (α N)TN = (α N)TT (α C)TN = (α C)TT Trang 14 Re (α(α )TT N)C TT 2 (W/m (W/m K).K) Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt Đồ thị 5: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH GIỮA KTN VÀ KTT KTN (W/m2.K) BÀN LUẬN : Câu 1: Giải thích thí nghiệm với chảy tràn mức “0” mà nước ống chảy KTN = KTT Mức “0, ¼, ẵ, ắ, 1, ẳ,1 ẵ l khong cỏch tớnh theo inch mực nước bình chảy tràn so với vị trí cao ống dẫn nước lạnh bình trao đổi nhiệt Trước thí nghiệm, chảy tràn để vị trí “0” cấp đủ nước cho bình chảy tràn nước khơng chảy ống đứng ngồi lúc mực nước bình chảy tràn với vị trí cao ống ⇒ ∆P = ⇒ nước khơng thể chảy khơng có chênh lệch áp suất Khi tiến hành thí nghiêm với chảy tràn vị trí “0” nước ống đứng có chảy ta dùng nước để cấp nhiệt làm cho dòng lạnh bị nóng lên vào buồng thí nghiệm→ có đối lưu nhiệt tự nhiên Đó tượng chuyển KTT động lưu chất có chênh lệch mật độ (khối lượng riêng) (W/m vùng 2có K) nhiệt độ khác 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 Vị trí chảy tràn (inch) ẵ ắ 15,9234 33,0162 66,1028 1ẵ 96,8813 thị 6: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ĐẾN MỨC ĐỘ TỔN THẤT NHIỆT Trang 15 Thí nghiệm Q trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt ∆Q (%) Ta nhận thấy vị trí chảy tràn cao mức độ tổn thất nhiệt tăng Và mức độ tổn thất nhiệt đạt giá trị cao ∆Q = 96,8813% chảy tràn vị trí “1½” Đây mức độ tổn thất lớn, làm tiêu hao nhiều lượng trình Khi chảy tràn vị trí “0” (xảy tượng đối lưu tự nhiên) ∆Q = -9,8527% < Đây giá trị khơng hợp lý nhiệt lượng tỏa nước Vị trí ngưng tụ khơng thể nhỏ nhiệt lượng dòng lạnh nhận Nguyên nhânchảy tràn khơng hợp lý này“0”là sai số“½” quỏ ắ trỡnh thớ nghim Tuy1nhiờn, ẵ ta kết luận mát nhiệt chảy tràn vị trí “0” nhỏ nhất, có giá trị bé coi gần khơng có mát nhiệt Đó chảy tràn vị trí “0”, có nghĩa 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 vị 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 Sự mát nhiệt nhiều vị trí chảy tràn cuối khơng lý mà sai số q trình thí nghiệm Câu 3: Nhận xét giải thích ảnh hưởng vị trí chảy tràn lên hệ số α tr, α ng K Hệ số (αN)TT, W/m K (αN)TN, W/m2.K (αC)TT, W/m2.K (αC)TN, W/m2.K KTT, W/m2.K 430,94 763,30 7164,9 2239,6 406,49 V trớ tm chy trn (inch) ẵ ắ 464,27 520,59 551,98 542,51 450,25 331,27 5456,6 5833,5 6351,4 624,2 925,8 1360,7 427,86 477,94 507,84 Trang 16 1½ 616,98 373,28 6576,7 2220,2 564,06 Thí nghiệm Q trình – Thiết bị KTN, W/m2.K 623,62 Đối lưu nhiệt 289,50 288,20 245,06 289,77 Đồ thị 7: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ĐẾN αN αN (W/m2.K) Khi vị trí chảy tràn cao (αN)TT tăng vì: - Tấm chảy tràn cao chênh lệch cột áp càng(αlớn N)TT→ lưu lượng dòng lạnh tăng → vận tốc dòng lạnh tăng → Re tăng - Tấm chảy tràn cao hiệu truyền nhiệt thấp → nhiệt độ trung (α N)TN bình dòng lạnh giảm → Pr µ tăng ⇒ Nu tăng (cơng thc (13)) (N)TT cng tng ẵ ắ “1 ½” Vị trí chảy tràn Khi vị trí chảy tràn cao (αN)TN nhìn chung giảm vì: ngoại trừ vị trí chảy tràn (đối lưu tự nhiên) vị trí chảy tràn cao (đối lưu cưỡng bức), nhiệt lượng mà dòng lạnh nhận thay đổi khơng đáng kể, ∆t = tVtr − tN tăng (do hiệu truyền nhiệt giảm) nên theo công thức (6) ⇒ αtr giảm Đây giá trị khó giải thích cách xác tính tốn dựa giả thiết khơng có mát nhiệt, số liệu cơng thức lại lấy từ kết thí nghiệm (có mát nhiệt xảy ra) Đồ thị 8: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ĐẾN αC αC (W/m2.K) (α C)TT Trang 17 “0” “½” ắ ẵ (1 C)TN V trớ tm chy trn Thí nghiệm Q trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt Ngoại trừ vị trí chảy tràn (đối lưu tự nhiên) vị trí chảy tràn cao (đối lưu cưỡng bức): vị 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 thị 9: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG K CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ĐẾN K (W/m2.K) Khi vị trí chảy tràn cao KTT tăng Do (αN)TT (αC)TT tăng ♣ Nói chung khó nhận xét giải thích cách xác ảnh hưởng KTT vị trí chảy tràn áp suất vào buồng thí nghiệm P vị 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 q trình thí nghiệm Câu 4: So sánh giải thích mối tương quan giá trị Ktính tốn giá trị thực TN nghiệm hệ số cấp nhiệt phía nước ống, phía nước ngưng tụ ngồi ống hệ số truyền nhiệt tổng quát * Hệ số cấp nhiệt “0” phớa dũng ẵ nc lnh ắ chy ng: “1 ½” Dựa vào đồ thị ⇒ có giá trị (αN)TN < (αN)TT, có giá trị (αN)TN Vị trí > (α , chảy N)TTtràn chảy tràn vị trí “0” “½” * Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ ống: Dựa vào đồ thị ⇒ tất vị trí chảy tràn (αC)TN < (αC)TT * Hệ số truyền nhiệt tổng quát: Dựa vào đồ thị ⇒ có giá trị KTN < KTT, có giá trị KTN > KTT, chảy tràn vị trí “0”  Giải thích: theo lý thuyết, giá trị thực nghiệm phải giá trị tính tốn Nhưng thí nghiệm này, giá trị thực nghiệm nhìn chung nhỏ giá trị tính tốn Bởi : Các giá trị thực nghiệm giá trị tính dựa giả thiết khơng xảy mát nhiệt Và nhiệt lượng Q cơng thức tính giá trị thực nghiệm nhiệt lượng mà dòng nước lạnh nhận Nhưng thực tế Trang 18 Thí nghiệm Q trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt xảy mát nhiệt, nghĩa nhiệt lượng tỏa nước ngưng tụ ln lớn nhiệt lượng dòng nước lạnh nhận Cho nên giá trị tính tốn hệ số cấp nhiệt truyền nhiệt lớn giá trị thực nghiệm Có giá trị thực nghiệm lớn giá trị tính tốn, có sai số q trình thí nghiệm Câu 5: Nhận xét ảnh hưởng nhiệt trở thành ống Hệ số KTT, W/m K K’TT, W/m2.K K’TT/ KTT 870,30 869,70 0,9993 δV     V V trớ tm chy trn (inch) ẵ ắ 427,86 477,94 507,84 427,72 477,76 507,64 0,9997 0,9996 0,9996 1½ 564,06 563,81 0,9996 Ta nhận thấy rằng: nhiệt trở thành ống làm giảm hệ số truyền nhiệt tổng quát (K’TT < KTT), có nghĩa làm giảm hiệu truyền nhiệt Nhưng giảm không đáng kể, thể qua tỉ số K’ TT/ KTT ln xấp xỉ Cho nên tính tốn 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 Ngun nhân yêu cầu thí nghiệm, tiến hành đo trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định Nhưng thực tế ta nhận biết chế độ ổn định cách tương đối, dựa vào lượng nước ngưng tụ chảy cách đặn, khơng thể có độ xác cao Việc chọn sai thời điểm đo ảnh hưởng đến tồn kết thí nghiệm * Ước lượng sai số: Đồ thị 1: Trang 19 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị xk (Re) 984,9 yk (NuN) 9,209 Đối lưu nhiệt 1262,3 1671,4 10,157 11,451 1 x2k − x2 = ∑ x2k − x2 ∑ n k=1 k=1 n σ 2x = µ 11 = 12,153 2495,6 x 13,640 y =1647,7 = 11,322 n yk − y2 = ∑ y2k − y2 ∑ n k=1 k=1 σ 2y = 1824,0 = 267691,507 ⇒ σx = 517,389 = 2,381 ⇒ σy = 1,543 n xk yk − xy = ∑ xk yk − xy ∑ n k=1 k=1 ρ= Hệ số tương quan tuyến tính: µ 11 σ xσ y = 793,019 = 0,993 ≈ ⇒ Quan hệ NuN = f(Re) quan hệ tuyến tính: y = ax + b Ap dụng phương pháp bình phương cực tiểu: 5  b + a x = yk ∑ ∑ k  a = 2,96.10−3 5b + 8238,3a = 56,6091 k=1 k=1 ⇔ ⇔  5 ,3a = 97237 ,6 b = 6,44 8238,3b + 14912391 b∑ xk + a∑ x2k = ∑ xk yk  k=1 k=1 k=1 Nên: y = 2,96.10-3x + 6,44 Khi ta có đồ thị sau: NuN xk yk yk* ∆yk = yk - yk* γ= 984,9 9,209 9,355 -0,147 ∆yk × 100% -1,567% y*k 1262,3 10,157 10,177 -0,020 1671,4 11,451 11,387 0,063 1824,0 12,153 11,839 0,314 2495,6 13,640 13,827 -0,187 -0,194% 0,555% 2,649% -1,351% 1671,4 1824,0 2495,6 x Đồ thị 2: xk (Re) 984,9 1262,3 Trang 20 Re =1647,7 Thí nghiệm Q trình – Thiết bị yk (KTT) 406,49 Đối lưu nhiệt 427,86 477,94 n σ 2x = ∑ x2k − x2 = ∑ x2k − x2 n k=1 k=1 n 2 y − y = yk − y ∑ ∑ k n k=1 k=1 σ 2y = µ 11 = 564,06 y = 476,839 = 267691,507 ⇒ σx = 517,389 = 3183,631 ⇒ σy = 56,424 n x y − x y = ∑ k k ∑ xk yk − xy n k=1 k=1 ρ= 507,84 µ 11 σ xσ y Hệ số tương quan tuyến tính: = 28990,735 = 0,993 ≈ ⇒ Quan hệ KTT = f(Re) quan hệ tuyến tính: y = ax + b Ap dụng phương pháp bình phương cực tiểu: 5  5b + a∑ xk = ∑ yk 5b + 8238,3a = 2384,19 a = 0,1083 ⇔ ⇔  k=1 k=1 ,3b + 14912391 ,3a = 4073297 ,7 b = 298,387 8238 b∑ xk + a∑ x2k = ∑ xk yk  k=1 k=1 k=1 Nên: y = 0,1083x + 298,387 Khi ta có đồ thị sau: KTT xk yk yk* ∆yk 984,9 406,49 405,050 1,439 1262,3 427,86 435,099 -7,237 1671,4 477,94 479,404 -1,466 1824,0 507,84 495,925 11,918 2495,6 564,06 568,665 -4,602 γ= ∆yk × 100% 0,355% y*k -1,663% -0,306% 2,403% -0,809% ⇒ Sai số phép đo NuN = f(Re) KTT = f(Re) nhỏ * Những nguyên nhân dẫn đến sai số: Trang 21 Re Thí nghiệm Q trình – Thiết bị - Đối lưu nhiệt Giá trị đồng hồ số không ổn định, thường dao động, kết đọc giá trị trung bình Vì khơng có độ xác cao - Ta đọc lúc giá trị đồng hồ số (do phải vặn núm điều chỉnh đến giá trị cần đo), mà giá trị lại thay đổi nhanh, thời điểm đo chế độ truyền nhiệt chưa thực đạt chế độ ổn định → dẫn đến sai số việc tính tốn hiệu (t3 – t1) cơng thức tính Q1 - Việc xác định lưu lượng nước ống đong đồng hồ bấm dễ dẫn đến sai số Do sai sót việc đọc giá trị ống đong xác định thời gian đồng hồ kim - Giá trị (αN)TT tính với điều kiện chế độ chảy màng, thực tế chế độ chảy dòng nước lạnh ống khơng chảy màng hồn tồn mà đơi chế độ chuyển tiếp Đó đơi ta phải điều chỉnh van cấp nước V1 để đảm bảo mực nước bình chảy tràn khơng bị tụt xuống (do nước ngừng cấp) nên làm ảnh hưởng đến lưu lượng dòng nước lạnh - Giá trị (αN)TT tính với giả thiết chất ngưng tụ chảy màng, ngưng tụ tinh khiết bề mặt ống đứng, thực tế khơng đáp ứng hồn tồn 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 vị đo nhiệt độ, áp suất, tính lưu lượng nước đưa vào bảng toC = o (t F − 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) Trang 22 [1] Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị GV = Lưu lượng thể tích : Đối lưu nhiệt V t • V: thể tích nước đo (m3) • t: thời gian đo (s) Lưu lượng khối lượng: G = GV ρ = V t ρ Xác định thông số phục vụ tính tốn: 6.2 Các thơng số vật lý tham gia q trình tính tốn gồm có: 6.2.1 Các thông số vật lý nước chảy ống: CPN, λ, ρ, ν, β, Pr, µ, µVtr Các thơng số đươc xác định nhiệt độ trung bình nước chảy ống tN = t1 + t3 (bảng 3) Riêng µVtr xác định nhiệt độ tVtr ≈ tVng Tra bảng 1.249, p310, [1] 6.2.2 Các thông số nước ngưng tụ áp suất thí nghiệm: CPC, λC, ρC, νC, µC, CPS, λS, ρS, PrS, Prvtr tm = • Các thơng số có số “c” xác định nhiệt độ trung bình • Các thơng số có số “s” xác định nhiệt độ tS • Các thơng số có số “vng” xác định nhiệt độ tVng tS + tVng 3) Tra bảng 1.249, p310, [1] 6.2.3 Các thơng số vật lý nước bão hòa áp suất thí nghiệm: • rS xác định nhiệt độ tS nước bão hòa Tra bảng 1.251, p314, [1] Kết xác định thông số vật lý đưa vào bảng 6.3 Tính tốn nhiệt lượng, xác định tổn thất nhiệt: • Nhiệt lượng Q1 tính theo cơng thức (1) Trang 23 (bảng Thí nghiệm Q trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt • Nhiệt lượng Q2 tính theo cơng thức (2) • Tổn thất nhiệt tính theo: ∆Q = Q2 - Q1 • Tỷ lệ tổn thất nhiệt: ∆Q(%) = ∆Q × 100% Q1 Kết tính tốn đưa vào bảng 6.4 Tính tốn xác định hệ số cấp nhiệt phía nước chảy ống: Ở trường hợp đối lưu tự nhiên (ứng với thí nghiệm vị trí “0” chảy tràn), Nu αN (αtr) tính tốn theo cơng thức (12) Trường hợp đối lưu cưỡng bc (ng vi thớ nghim v trớ ẵ, ắ, 1, ½” chảy tràn) Nu αN (αtr) tính tốn theo cơng thức (13) (14) tùy theo chế độ chảy cụ thể Các giá trị αN (αtr) tính tốn trường hợp gọi hệ số cấp nhiệt tính tốn (αN)TT hay (αtr)TT Giá trị αN (αtr) xác định từ công thức (6) gọi hệ số cấp nhiệt thực nghiệm (αN)TN hay (αtr)TN Kết tính tốn đưa vào bảng 6.5 Tính tốn xác định hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ: Trường hợp nước ngưng tụ chảy màng, hệ số cấp nhiệt αC tính theo cơng thức (16) suy từ Nu công thức (17) Hệ số αC Nu tính theo cơng thức (16) (17) gọi giá trị tính tốn (αC)TT, (Nu)TT Hệ số cấp nhiệt thực nghiệm (αC)TN phía nước ngưng tụ tính theo cơng thức (7) Kết tính tốn đưa vào bảng 6.6 Tính hệ số truyền nhiệt tổng quát: Hệ số truyền nhiệt tổng qt tính theo cơng thức: K TT = 1 + (α N )TT (α C )TT = (α N )TT × (α C )TT (α N )TT + (α C )TT , W/m2.K Trang 24 (19) Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt Ở đây: KTT hệ số truyền nhiệt tổng quát (tính theo (αN)TT (αC)TT, bỏ qua ảnh hưởng nhiệt trở thành ống  δV   λV    Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN tính theo cơng thức (9), Q = Q1 Tính hệ số truyền nhiệt có kể đến ảnh hưởng nhiệt trở thành ống K 'TT = (α N )TT δ + V + λ V (α C )TT , W/m2.K  δV   λV    : (20) Tính tốn so sánh KTT với K’TT: K 'TT = K TT 1+ δV K TT λV , δV = const λV (21) Kết tính tốn hệ số truyền nhiệt đưa vào bảng TÀI LIỆU THAM KHẢO : [1] Tập thể tác giả, “Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hóa chất – Tập 1”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 1999, 626tr [2] Phạm Văn Bơn –Vũ Bá Minh – Hồng Minh Nam, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 10: Ví dụ Bài tập”, ĐHBK Tp.HCM, 468tr Trang 25 ... oC (5) tC • CPC : nhiệt dung riêng nước sau ngưng tụ nhiệt độ • r : ẩn nhiệt ngưng tụ nước bão hòa nhiệt độ tS, J/kg , J/kg.K Sự cân nhiệt thực phương trình truyền nhiệt đối lưu chế độ ổn định... ,K (10) Trang Thí nghiệm Q trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (hệ số cấp nhiệt) phía dòng nước lạnh chảy 2.3 ống (α N hay α tr) Hệ số cấp nhiệt αN (hay αtr) xác định... 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