Báo cáo Thực hành các quá trình và thiết bị truyền nhiệt

rở đi thì KLT lớn hơn nhiều so với KTN. -Sở dĩ có sự khác nhau như vậy là vì trong quá trình tính toán KTN chỉ có tính đến QN và logt mà 2 yếu tố này lại phụ thuộc vào nhiệt độ do các đầu dò báo về. log. N TN QK F t   Việc đầu dò báo sai chúng ta có thể hiệu chỉnh được. Nhưng Qf mà âm thì theo em nghĩ là do quá trình truyền nhiệt từ dòng nóng sang dòng lạnh, nhiệt lượng đã bị mất mát hao tổn ra bên ngoài. Lượng nhiệt tổn thất này không thể đo chính xác. Chính nó đã làm cho việc tính toán không ổn định. Bởi vì khi tăng lưu lượng dòng lạnh hay lưu lượng dòng nóng càng lớn, nhiệt truyền từ dòng nóng sang dòng nguội càng cao, thì lượng nhiệt tổn thất này cũng tăng lên nhanh chóng. Có thể thấy rõ trên đồ thị tại các mức lưu lượng VL=4, 6, 8 l/ph hệ số truyền nhiệt không có chênh lệch nhiều so với VL=2 l/ph; trong khi đó đường hệ số truyền nhiệt lý thuyết có sự tăng vọt của VL=4, 6, 8 l/ph so với VL=2 l/ph. -Trong quá trình tính toán KLT thì ta sẽ đi tính các chuẩn số đồng dạng như Nusselt, Reynolds, Prandlt, Grashoff để tính hệ số cấp nhiệt của dòng nóng 1 và của dòng lạnh 2 . Ta nhận thấy 1 của dòng nóng có giá trị xấp xỉ bằng nhau ở cùng một mức lưu lượng VN và tăng lên khi VN tăng. Đối với 2 của dòng lạnh thì tăng dần khi VL tăng hoặc VN tăng, điều này được giải thích là do VL tăng dẫn đến vận tốc dòng lạnh tăng dẫn đến Re tăng dẫn đến Nusselt tăng tỷ lệ thuận với 2 . Hơn nữa ở mức VL= 2 l/ph, dòng lạnh chủ yếu là chảy quá độ Re 2300 10000  , nên có 2 thấp nhất khi áp dụng công tính chuẩn số Nusselt. Ta thấy rằng hệ số cấp nhiệt 2 của dòng lạnh lớn hơn hẳn 1 dòng nóng. Có nghĩa là dòng lạnh nhận được lượng nhiệt từ nguồn nóng trong một đơn vị thời gian là rất lớn và khả năng cấp nhiệt của dòng nóng là chưa tương xứng với dòng lạnh. Bảng kết quả tính hệ số cấp nhiệt Thí nghiệm 1 dòng nóng (W/m2.K) 2 dòng lạnh (W/m2.K) Trường hợp cùng chiều 1 525.7 1198.3 2 524.5 5436.6 3 525.7 7492.0 4 524.5 9430.8 5 2379.6 1202.6 6 2379.6 5436.6 7 2374.2 7519.8 8 2374.2 9465.8 9 3298.9 1206.9 10 3291.4 5476.5 11 3291.4 7547.4 12 3283.9 9465.8 13 4113.0 1211.3 14 4113.0 5476.5 15 4103.7 7547.4 16 4103.7 9465.8 Trường hợp ngược chiều 1 526.9 1198.3 2 525.7 5456.6 3 526.9 7519.8 4 526.9 9430.8 5 2385.0 1202.6 6 2379.6 5476.5 7 2374.2 7519.8 8 2374.2 9465.8 9 3298.9 1206.9 10 3298.9 5436.6 11 3291.4 7547.4 12 3291.4 9465.8 13 4113.0 1211.3 14 4113.0 5496.4 15 4113.0 7547.4 16 4103.7 9500.5 6.4. Một vài nhận xét về thiết bị: -Thiết bị truyền nhiệt loại đường ống sử dụng trong bài thí nghiệm này có thể sử dụng được cho 4 bài: ống lồng ống Đồng, ống lồng ống Inox, ống xoắn, ống chùm. Khảo sát quá trình truyền nhiệt trong hai trường hợp chảy xuôi chiều và chảy ngược chiều. -Thiết bị dễ tháo lắp dễ dàng khi thay bộ phận, nhưng một vài chỗ còn khiếm khuyết như không có bộ phận cách nhiệt giữa nồi đun với môi trường bên ngoài, không có bộ phận cách nhiệt với giữa đường ống với môi trường bên ngoài để giảm tối thiểu nhiệt tổn thất , bộ điều khiển sử dụng là loại ON-OFF nên độ trễ thời gian lớn, đầu dò nhiệt độ hay đo sai, vị trí đặt đầu dò không chính xác (sử dụng đầu dò “xịn” chưa đủ mà cái chính là ta phải đặt đúng vị trí trong dòng chảy). Để cải thiện những điều này thì khó thực hiện, cần phải có thêm thời gian và công sức. Bài 2: Thực hành truyền nhiệt ống xoắn Ngày thực hành: 24-10-2010 Sinh Viên: Ngô Mạnh Linh Mã số: 08097421 Lớp thực hành: Sáng Chủ nhật Tổ thực hành: 2 Điểm: Lời phê của thầy: 1. Mục đích thí nghiệm: Khảo sát quá trình truyền nhiệt khi đun nóng hoặc làm nguội gián tiếp giữa hai dòng lưu chất qua một bề mặt ngăn cách (bài thực hành này chủ yếu khảo sát quá trình làm nguội). Tính toán hiệu suất toàn phần dựa trên cân bằng nhiệt lượng ở những lưu lượng dòng khác nhau. Khảo sát ảnh hưởng của chiều chuyển động lên quá trình truyền nhiệt trong hai trường hợp: ngược chiều và xuôi chiều. Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị, từ đó so sánh với kết quả tính toán lý thuyết KLT. 2. Số liệu thực hành: 2.1. Trường hợp xuôi chiều: Thí nghiệm VN (l/ph) VL (l/ph) T1 (oC) Nồi đun T2 (oC) Nóng ra T3 (oC) Nóng vào T4 (oC) Lạnh ra T5 (oC) Lạnh vào 1 2 2 70 55 70 48 31 2 3 69 54 69 47 31 3 4 69 51 69 41 31 4 5 69 50 68 39 31 5 3 2 68 57 68 47 30 6 3 67 55 67 42 30 7 4 66 55 66 42 29 8 5 66 53 66 40 29 9 4 2 66 57 65 47 29 10 3 65 56 65 46 29 11 4 65 54 65 42 29 12 5 65 53 65 39 29 13 5 2 64 57 64 46 29 14 3 64 56 64 46 29 15 4 64 55 64 42 29 16 5 63 54 63 40 29 2.2. Trường hợp ngược chiều: Thí nghiệm VN (l/ph) VL (l/ph) T1 (oC) Nồi đun T2 (oC) Nóng ra T3 (oC) Nóng vào T4 (oC) Lạnh vào T5 (oC) Lạnh ra 1 2 2 64 50 63 28 41 2 3 64 49 64 28 41 3 4 64 48 64 28 40 4 5 64 47 64 28 38 5 3 2 64 54 64 28 42 6 3 65 54 64 28 43 7 4 64 53 64 28 42 8 5 64 51 64 28 41 9 4 2 64 56 64 28 44 10 3 64 55 64 28 44 11 4 64 54 64 28 43 12 5 63 53 64 28 42 13 5 2 63 57 63 28 44 14 3 63 56 63 28 44 15 4 63 55 63 28 43 16 5 62 53 63 28 42 3. Xử lý số liệu: 3.1. Tính toán hiệu suất nhiệt độ: -Hiệu số nhiệt độ của các dòng và hiệu suất nhiệt độ trong các quá trình truyền nhiệt: .100% N N V R N N L V V T T T T     .100% L L R V N N L V V T T T T     2 N L hi      Ta có: _ _N nong vao nong raT T T   _ _L lanh ra lanh vaoT T T   3.2. Xác định hiệu suất của quá trình truyền nhiệt: -Đổi lưu lượng thể tích sang lưu lượng khối lượng: 310. . 60N N nuoc G V    310. . 60L L nuoc G V    Với nuoc phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức thực nghiệm: 3 20,000015324364. 0,00584994855. 0,016286058705. 1000,04105055224nuoc T T T     (Tính NG thì 2 32 T TT  ); tính LG thì 4 52 T TT  ) -Tính nhiệt lượng dòng nóng, dòng lạnh, nhiệt tổn thất: 3. . 4,19.10 . .N N N N N NQ C G T G T    (Cp= 4,19.10 3 J/kg ở 710C) 3. . 4,18.10 . .L L L L L LQ C G T G T    (Cp= 4,18.10 3 J/kg ở 710C) f N LQ Q Q  -Tính hiệu suất của quá trình truyền nhiệt: .100%L N Q Q   3.3. Tính toán hệ số truyền nhiệt: 3.3.1. Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm: -Trường hợp xuôi chiều: ax _ _m nong vao lanh vaot t t   min _ _nong ra lanh rat t t   -Trường hợp ngược chiều: Ta xét: 1 _ _nong vao lanh rat t t   2 _ _nong ra lanh vaot t t   Cái nào lớn hơn thì là axmt . Cái nào bé hơn thì là mint . -Tính ax minlog ax min ln( ) m m t tt t t        -Tính diện tích truyền nhiệt: . .tdF d L . Với 2 i o td d dd  , _. . vong xoanL n D -Theo công thức: log. .Q K F t  log. N TN QK F t    3.3.2. Hệ số truyền nhiệt lý thuyết: Được tính theo công thức: 1 2 1 1 1LT K        (Chuyển tường ống qua tường phẳng do 2 1 2r r  ) Có 0 2 id d  (m), _ _ 17,5thep khong ri  (W/m.K). Chỉ việc tính 1 và 2 . * Tính hệ số cấp nhiệt 1 (dòng nóng): -Chuẩn số Reynolds: w.Re id   Trong đó: w là vận tốc của dòng nóng: 2 w . 4 N i G d  v là độ nhớt của dòng nóng, có thể tra bảng hoặc tính theo công thức thực nghiệm sau: ( 6) 5 4 3 2 (10 )*(( 0.00000000064*( )) (0.000000182875*( )) (0.000021590001*( )) (0.001417871822*( )) (0.060504453881*( )) 1.790265284068) v T T T T T        (m2/s) -Chuẩn số Prandtl: _ . .Pr N nuoc dong nong C     _dong nong có thể được tính bằng cách tra bảng hay tính theo pp nội suy (trong chức năng thống kê của máy tính Casio) T lấy theo nhiệt độ trung bình đầu ra và đầu vào. -Chuẩn số Grashoff (dựa vào giá trị của Re rồi sau đó mới đi tính): 3 2 . . .g lGr t v   Với g=9.81 (m/s2), l là đường kính tương đương ở đây l=di ,  là hệ số giãn nở thể tích được tra trong bảng tra cứu, t là chênh lệch nhiệt độ _tuong nong vaot t t   . -Hệ số hiệu chỉnh k : phụ thuộc vào giá trị Reynolds và i L d (tra trong bảng 1.1 trang 33-sách QT & TB truyền nhiệt của TT máy và thiết bị-năm 2009). -Tính chuẩn số Nusselt: Nếu dòng nóng chảy xoáy: 0,8 0,430,021. .Re .PrkNu  (để đơn giản ta cho Pr 1 PrT  ) Nếu dòng nóng chảy quá độ: 0,8 0,430,008. .Re .PrkNu  Nếu dòng nóng chảy dòng: 0,33 0,43 0,10,158. .Re .Pr .kNu Gr * Tính hệ số cấp nhiệt 2 (dòng lạnh): như dòng nóng chỉ thay đổi các tham số đặc trưng của dòng lạnh. -Chuẩn số Reynolds: w.Re L tdd   Trong đó: w là vận tốc của dòng lạnh: 2 w .( ) 4 N L td G d  Với 2 2 2 _ _ _ _ _ _ .( ( ) ) 44. 4. .( ( )) vo binh vong xoan vong xoan o L uot td uot vo binh vong xoan vong xoan o D D D dFd C D D D d           Với _ 150vo binhD  mm, _ 100ong xoanD  mm, d 0= 13 mm -Chuẩn số Prandtl: _ . .Pr L nuoc dong lanh C     _dong lanh có thể được tính bằng cách tra bảng hay tính theo pp nội suy (trong chức năng thống kê của máy tính Casio) T lấy theo nhiệt độ trung bình đầu ra và đầu vào. -Chuẩn số Grashoff (dựa vào giá trị của Re rồi sau đó mới đi tính): 3 2 . . .g lGr t v   Với g=9.81 (m/s2), l là đường kính tương đương ở đây Ltdl d ,  là hệ số giãn nở thể tích được tra trong bảng tra cứu, t là chênh lệch nhiệt độ _tuong lanh vaot t t   . -Hệ số hiệu chỉnh k : phụ thuộc vào giá trị Reynolds và L td L d . Đối với ống xoắn được tính theo công thức: _ 1 3,54. ik vong xoan d D    -Tính chuẩn số Nusselt: Nếu dòng lạnh chảy xoáy: 0,8 0,430,021. .Re .PrkNu  (để đơn giản ta cho Pr 1 PrT  ) Nếu dòng lạnh chảy quá độ: 0,8 0,430,008. .Re .PrkNu  Nếu dòng lạnh chảy dòng: 0,33 0,43 0,10,158. .Re .Pr .kNu Gr 4. Kết quả tính toán: 4.1. Trường hợp xuôi chiều: Bảng kết quả tính toán hiệu suất nhiệt độ Thí nghiệm NT (0C) NT (0C) N (%) L (%) hi (%) 1 15 17 38.5 43.6 41.0 2 15 16 39.5 42.1 40.8 3 18 10 47.4 26.3 36.8 4 18 8 48.6 21.6 35.1 5 11 17 28.9 44.7 36.8 6 12 12 32.4 32.4 32.4 7 11 13 29.7 35.1 32.4 8 13 11 35.1 29.7 32.4 9 8 18 22.2 50.0 36.1 10 9 17 25.0 47.2 36.1 11 11 13 30.6 36.1 33.3 12 12 10 33.3 27.8 30.6 13 7 17 20.0 48.6 34.3 14 8 17 22.9 48.6 35.7 15 9 13 25.7 37.1 31.4 16 9 11 26.5 32.4 29.4 Bảng kết quả tính toán hiệu suất truyền nhiệt Thí nghiệm GN (kg/s) GL (kg/s) QN (W) QL (W) Qf (W)  (%) 1 0.032732 0.033083 2057.2 2350.9 -293.7 114.3 2 0.032749 0.049634 2058.3 3319.5 -1261.2 161.3 3 0.032776 0.066251 2471.9 2769.3 -297.3 112.0 4 0.032793 0.082842 2473.2 2770.2 -297.0 112.0 5 0.049097 0.033096 2262.9 2351.8 -88.9 103.9 6 0.049137 0.049688 2470.6 2492.4 -21.7 100.9 7 0.049150 0.066262 2265.3 3600.7 -1335.3 158.9 8 0.049176 0.082856 2678.6 3809.7 -1131.1 142.2 9 0.065516 0.033102 2196.1 2490.6 -294.5 113.4 10 0.065534 0.049662 2471.3 3529.0 -1057.7 142.8 11 0.065569 0.066262 3022.1 3600.7 -578.6 119.1 12 0.065586 0.082870 3297.6 3463.9 -166.3 105.0 13 0.081917 0.033108 2402.6 2352.6 50.0 97.9 14 0.081939 0.049662 2746.6 3529.0 -782.4 128.5 15 0.081961 0.066262 3090.7 3600.7 -509.9 116.5 16 0.082003 0.082856 3092.4 3809.7 -717.4 123.2 Bảng kết quả tính toán hệ số truyền nhiệt: Thí nghiệm QN (W) tmax (0C) tmin (oC) tlog (oC) KLT (W/m2.K) KTN (W/m2.K) 1 2057.2 39 7 18.6 177.5 648.6 2 2058.3 38 7 18.3 200.1 659.7 3 2471.9 38 10 21.0 216.4 692.3 4 2473.2 37 11 21.4 230.0 677.8 5 2262.9 38 10 21.0 178.6 633.7 6 2470.6 37 13 22.9 200.4 632.4 7 2265.3 37 13 22.9 218.5 579.9 8 2678.6 37 13 22.9 233.1 685.7 9 2196.1 36 10 20.3 178.4 635.5 10 2471.3 36 10 20.3 202.1 715.1 11 3022.1 36 12 21.8 219.5 812.5 12 3297.6 36 14 23.3 234.0 831.5 13 2402.6 35 11 20.7 178.3 680.6 14 2746.6 35 10 20.0 202.4 808.4 15 3090.7 35 13 22.2 220.0 817.3 16 3092.4 34 14 22.5 234.3 805.8 4.2. Trường hợp ngược chiều: Bảng kết quả tính toán hiệu suất nhiệt độ Thí nghiệm NT (0C) NT (0C) N (%) L (%) hi (%) 1 13 13 37.1 37.1 37.1 2 15 13 41.7 36.1 38.9 3 16 12 44.4 33.3 38.9 4 17 10 47.2 27.8 37.5 5 10 14 27.8 38.9 33.3 6 10 15 27.8 41.7 34.7 7 11 14 30.6 38.9 34.7 8 13 13 36.1 36.1 36.1 9 8 16 22.2 44.4 33.3 10 9 16 25.0 44.4 34.7 11 10 15 27.8 41.7 34.7 12 11 14 30.6 38.9 34.7 13 6 16 17.1 45.7 31.4 14 7 16 20.0 45.7 32.9 15 8 15 22.9 42.9 32.9 16 10 14 28.6 40.0 34.3 Bảng kết quả tính toán hiệu suất truyền nhiệt Thí nghiệm GN (kg/s) GL (kg/s) QN (W) QL (W) Qf (W)  (%) 1 0.032835 0.033142 1788.5 1801.0 -12.4 100.7 2 0.032835 0.049713 2063.7 2701.4 -637.7 130.9 3 0.032843 0.066296 2201.8 3325.4 -1123.6 151.0 4 0.032852 0.082897 2340.0 3465.1 -1125.1 148.1 5 0.049189 0.033137 2061.0 1939.2 121.9 94.1 6 0.049189 0.049697 2061.0 3116.0 -1054.9 151.2 7 0.049202 0.066273 2267.7 3878.3 -1610.6 171.0 8 0.049227 0.082856 2681.4 4502.4 -1821.0 167.9 9 0.065551 0.033125 2197.3 2215.4 -18.1 100.8 10 0.065569 0.049688 2472.6 3323.1 -850.5 134.4 11 0.065586 0.066262 2748.0 4154.6 -1406.6 151.2 12 0.065603 0.082842 3023.6 4847.9 -1824.3 160.3 13 0.081939 0.033125 2059.9 2215.4 -155.5 107.5 14 0.081961 0.049688 2403.9 3323.1 -919.2 138.2 15 0.081982 0.066262 2748.0 4154.6 -1406.6 151.2 16 0.082025 0.082842 3436.8 4847.9 -1411.1 141.1 Bảng kết quả tính toán hệ số truyền nhiệt: Thí nghiệm QN (W) tmax (0C) tmin (oC) tlog (oC) KLT (W/m2.K) KTN (W/m2.K) 1 1788.5 22 22 22.0 165.7 477.5 2 2063.7 21 23 22.0 188.4 551.4 3 2201.8 20 24 21.9 206.1 589.5 4 2340.0 19 26 22.3 221.3 615.9 5 2061.0 26 22 23.9 168.5 505.6 6 2061.0 26 21 23.4 190.7 517.1 7 2267.7 25 22 23.5 209.0 567.6 8 2681.4 23 23 23.0 224.3 684.8 9 2197.3 28 20 23.8 168.8 542.8 10 2472.6 27 20 23.3 191.8 622.6 11 2748.0 26 21 23.4 210.4 689.5 12 3023.6 25 22 23.5 226.2 756.8 13 2059.9 29 19 23.6 168.8 511.6 14 2403.9 28 19 23.2 191.9 608.4 15 2748.0 27 20 23.3 210.7 692.0 16 3436.8 25 21 22.9 226.6 879.9 5. Đồ thị: 5.1. Trường hợp xuôi chiều: Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm Quan hệ giữa Lưu lượng-Hệ số truyền nhiệt (Xuôi chiều) 0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0 800.0 900.0 VN=2 l/ph VN=3 l/ph VN=4 l/ph VN=5 l/ph Lưu lượng dòng nóng K T N (W /m 2 .K ) VL=2 (l/ph) VL=3 (l/ph) VL=4 (l/ph) VL=5 (l/ph) Hệ số truyền nhiệt lý thuyết Quan hệ giữa Lưu lượng-Hệ số truyền nhiệt (Xuôi chiều) 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 VN=2 l/ph VN=3 l/ph VN=4 l/ph VN=5 l/ph Lưu lượng dòng nóng K L T (W /m 2 .K ) VL=2 (l/ph) VL=3 (l/ph) VL=4 (l/ph) VL=5 (l/ph) Đồ thị biểu diễn KTN và KLT Trường hợp xuôi chiều 0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0 800.0 900.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Thí nghiệm thứ i K ( W /m 2 . K ) KTN KLT 5.2. Trường hợp ngược chiều Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm Quan hệ giữa Lưu lượng-Hệ số truyền nhiệt (Ngược chiều) 0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0 800.0 900.0 1000.0 VN=2 l/ph VN=3 l/ph VN=4 l/ph VN=5 l/ph Lưu lượng dòng nóng K T N (W /m 2 . K) VL=2 (l/ph) VL=3 (l/ph) VL=4 (l/ph) VL=5 (l/ph) Hệ số truyền nhiệt lý thuyết Quan hệ giữa Lưu lượng-Hệ số truyền nhiệt (Ngược chiều) 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 VN=2 l/ph VN=3 l/ph VN=4 l/ph VN=5 l/ph Lưu lượng dòng nóng K LT ( W /m 2 .K ) VL=2 (l/ph) VL=3 (l/ph) VL=4 (l/ph) VL=5 (l/ph) Đồ thị biểu diễn KTN và KLT Trường hợp ngược chiều 0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0 800.0 900.0 1000.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Thí nghiệm thứ i K ( W /m 2 .K ) KTN KLT 5.3. Quan hệ giữa chiều chuyển động và hệ số truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm Quan hệ chiều chuyển động-Hệ số truyền nhiệt 0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0 800.0 900.0 1000.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Thí nghiệm thứ i K T N (W /m 2 .K ) Xuôi chiều Ngược chiều Hệ số truyền nhiệt lý thuyết Quan hệ chiều chuyển động-Hệ số truyền nhiệt 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Thí nghiệm thứ i K L T (W /m 2 .K ) Xuôi chiều Ngược chiều 6. Bàn luận: Vì đầu dò báo sai nên ta sẽ không nói đến các yếu tố phụ thuộc nhiệt độ có độ sai số lớn như N , L và hi mà đi xét đến các yếu tố quan trọng, những tính toán cuối cùng trong bài này. Ta sẽ đi đánh giá sự ảnh hưởng các yếu tố qua hệ số truyền nhiệt K. Hệ số truyền nhiệt K đặc trưng cho lượng nhiệt truyền từ lưu thể nóng tới lưu thể nguội qua 1m2 bề mặt tường phẳng trong một đơn vị thời gian khi hiệu số chênh lệch nhiệt độ giữa hai lưu thể là một độ. Hệ số truyền nhiệt càng lớn thì lượng nhiệt mà lưu thể lạnh nhận được từ lưu thể nóng càng tăng. Nghĩa là quá trình truyền nhiệt càng đạt hiệu quả (hiệu suất cao vì L N Q Q  ) 6.1. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng đến quá trình truyền nhiệt: -Ở trường hợp xuôi chiều: Trong cùng một lưu lượng nóng bằng nhau (VN=const), khi tăng lưu lượng dòng lạnh (VL=2, 3, 4, 5 l/ph) thì hệ số truyền nhiệt K sẽ tăng dần nhưng không đáng kể.-Nhận thấy nếu lưu lượng dòng lạnh bằng nhau (VL=const) và qua các mức tăng lưu lượng dòng nóng (VN=2, 3, 4, 5 l/ph) thì hệ số truyền nhiệt K cũng sẽ tăng lên nhưng không đáng kể. Như vậy trong trường hợp xuôi chiều khi tăng lưu lượng dòng lạnh hoặc dòng nóng thì hệ số truyền nhiệt tăng chậm, nghĩa là hiệu suất của quá trình truyền nhiệt ít chịu ảnh hưởng của lưu lượng dòng. -Ở trường hợp ngược chiều: chỉ khác xuôi chiều là khi tăng lưu lượng dòng lạnh thì hệ số truyền nhiệt K tăng lên nhanh chóng. Như vậy trong trường hợp ngược chiều chịu ảnh hưởng của lưu lượng nhiều hơn trường hợp xuôi chiều. 6.2. Đánh giá sự ảnh hưởng của chiều chuyển động các dòng đến quá trình truyền nhiệt: -Đối với hệ số truyền nhiệt tính từ thực nghiệm ta nhận thấy KTN khi xuôi chiều thì lớn hơn so với trường hợp ngược chiều. -Đối với hệ số truyền nhiệt K tính theo lý thuyết thì ta thấy KLT khi xuôi chiều nhỉnh hơn so với khi ngược chiều nhưng không đáng để (hai đường trên đồ thị gần như trùng nhau) Qua đó ta có thể kết luận, trong trường hợp truyền nhiệt ống xoắn thì chiều chuyển động theo trường hợp xuôi chiều sẽ có lợi hơn về hệ số truyền nhiệt. 6.3. So sánh hệ số truyền nhiệt thực nghiệm với hệ số truyền nhiệt lý thuyết: Trong cả hai trường hợp ngược chiều và xuôi chiều, ta đều thấy KTN lớn hơn KLT rất nhiều. -Sở dĩ có sự khác nhau như vậy là vì trong quá trình tính toán KTN chỉ có tính đến QN và logt mà 2 yếu tố này lại phụ thuộc vào nhiệt độ do các đầu dò báo về. log. N TN QK F t   Việc đầu dò báo sai chúng ta có thể hiệu chỉnh được. Nhưng Qf mà âm thì theo em nghĩ là do quá trình truyền nhiệt từ dòng nóng sang dòng lạnh, nhiệt lượng đã bị mất mát hao tổn ra bên ngoài. Lượng nhiệt tổn thất này không thể đo chính xác. Chính nó đã làm cho việc tính toán không ổn định. Bởi vì khi tăng lưu lượng dòng lạnh hay lưu lượng dòng nóng càng lớn, nhiệt truyền từ dòng nóng sang dòng nguội càng cao, thì lượng nhiệt tổn thất này cũng tăng lên nhanh chóng. -Trong quá trình tính toán KLT thì ta sẽ đi tính các chuẩn số đồng dạng như Nusselt, Reynolds, Prandlt, Grashoff để tính hệ số cấp nhiệt của dòng nóng 1 và của dòng lạnh 2 . Ta nhận thấy 1 của dòng nóng có giá trị xấp xỉ bằng nhau ở cùng một mức lưu lượng VN và tăng lên khi VN tăng. Đối với 2 của dòng lạnh thì chỉ tăng khi VL tăng , điều này được giải thích là do VL tăng dẫn đến vận tốc dòng lạnh tăng dẫn đến Re tăng dẫn đến Nusselt tăng tỷ lệ thuận với 2 . -Ta thấy rằng hệ số cấp nhiệt 1 của dòng nóng lớn hơn rất nhiều 2 dòng lạnh. Có nghĩa là dòng lạnh nhận được lượng nhiệt từ nguồn nóng trong một đơn vị thời gian là rất lớn và khả năng nhận nhiệt của dòng lạnh là chưa tương xứng với dòng nóng. Điều này được giải thích là do dòng nóng chảy trong ống chùm có đường kính nhỏ, chế độ chảy xoáy (Re>10000) có sự đối lưu giữa các lớp nước làm cho quá trình cấp nhiệt nhanh hơn. Còn dòng lạnh chảy trong ống có đường kính lớn hơn rất nhiều, chế độ chảy quá độ (2300<Re<10000) sự nhận nhiệt sẽ kém hơn. Bảng kết quả tính hệ số cấp nhiệt Thí nghiệm 1 dòng nóng (W/m2.K) 2 dòng lạnh (W/m2.K) Trường hợp cùng chiều 1 4446.3 191.0 2 4426.7 217.4 3 4396.8 236.8 4 4376.7 253.4 5 6150.0 189.9 6 6109.1 214.8 7 6095.3 235.8 8 6067.6 252.9 9 7690.0 188.6 10 7672.7 215.2 11 7637.8 235.1 12 7620.2 251.8 13 9172.2 187.7 14 9151.4 214.6 15 9130.5 234.5 16 9088.5 250.8 Trường hợp ngược chiều 1 3194.7 177.5 2 3194.7 203.8 3 3187.1 224.6 4 3179.5 242.8 5 4470.9 177.8 6 4470.9 202.6 7 4460.6 223.4 8 4439.8 241.2 9 5653.8 176.7 10 5640.9 202.0 11 5627.9 222.8 12 5614.9 240.5 13 6758.8 175.8 14 6743.4 200.9 15 6727.9 221.7 16 6696.7 239.4 Ta nhận thấy rằng truyền nhiệt trong ống xoắn thì ổn định hơn so với truyền nhiệt ống lồng ống Đồng và ống chùm (nhìn đồ thị). 6.4. Một vài nhận xét về thiết bị: -Thiết bị truyền nhiệt loại đường ống sử dụng trong bài thí nghiệm này có thể sử dụng được cho 4 bài: ống lồng ống Đồng, ống lồng ống Inox, ống xoắn, ống chùm. Khảo sát quá trình truyền nhiệt trong hai trường hợp chảy xuôi chiều và chảy ngược chiều. -Thiết bị dễ tháo lắp dễ dàng khi thay bộ phận, nhưng một vài chỗ còn khiếm khuyết như không có bộ phận cách nhiệt giữa nồi đun với môi trường bên ngoài, không có bộ phận cách nhiệt với giữa đường ống với môi trường bên ngoài để giảm tối thiểu nhiệt tổn thất , bộ điều khiển sử dụng là loại ON-OFF nên độ trễ thời gian lớn, đầu dò nhiệt độ hay đo sai, vị trí đặt đầu dò không chính xác (sử dụng đầu dò “xịn” chưa đủ mà cái chính là ta phải đặt đúng vị trí trong dòng chảy). Để cải thiện những điều này thì khó thực hiện, cần phải có thêm thời gian và công sức. Bài 3: Cô đặc gián đoạn dung dịch CuSO4 Ngày thực hành: 31-10-2010 Sinh Viên: Ngô Mạnh Linh Mã số: 08097421 Lớp thực hành: Sáng Chủ nhật Tổ thực hành: 2 Điểm: Lời phê của thầy: 1. Mục đích thí nghiệm: Quá trình cô đặc là một quá trình được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Nó liên quan đến nhiều sản phẩm quan trọng: dược phẩm, thực phẩm, nông sản, hóa chất...Quá trình này đòi hỏi khắt khe trong việc vận hành. Do đó, mục đích của bài thí nghiệm: -Giúp sinh viên hiểu rõ hơn về quá trình và thiết bị cô đặc. -Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng để xác định các thông số cần thiết. -Giúp sinh viên vận hành chính xác thiết bị, đo đạc các thông số của quá trình và thiết bị. -Xác định năng suất và hiệu suất của quá trình. -Đánh giá quá trình hoạt động gián đoạn và liên tục. 2. Số liệu thực hành: Nhập liệu: Vdd = 6 (lít)  (phút) W1 (W) T1 (oC) T2 (oC) T5 (oC) Vdm (lít) Nồng độ Đặc điểm 21.95 2000 100.1 28.5 35.8 0 0.0752 Gia nhiệt 31.95 1500 100.1 28.5 36.4 0 0.0752 Hoàn lưu 96.95 1600 100.1 28.5 38 2 0.1150 Kết thúc 3. Xử lý số liệu: 3.1. Cân bằng vật chất: -Khối lượng dung dịch CuSO4 7,52% là: dd_dau 30. o Cm V d =6,480 (kg). _ tan dd _ dd _. 6,48.7,52% 0, 487chat dau daum m x    (kg) -Khối lượng dung dịch CuSO4 11,50% tính theo cân bằng khối lượng chất tan: _ tan_ _ tan_chat dau chat cuoim m dd _ dd _ dd _ dd _. .dau dau cuoi cuoim x m x  dd _ dd _ dd _ dd _ 7.52%. 6, 48. 4,237 11,50% dau cuoi dau cuoi x m m x     (kg) -Khối lượng dung môi bốc hơi (hơi thứ): dd _ dd _ 6 , 480 4, 237 2, 243dm dau cuo im m m     (kg) 3.2. Cân bằng năng lượng: -Nhiệt lượng mà nồi đun cung cấp trong suốt quá trình thí nghiệm: 1 1 1 1 1 1 1 2 2 3 3W . W . W . W . 2000.(21,95.60) 1500.(10.60) 1600.(65.60) 9 774 000i iQ t t t t        (J) -Nhiệt lượng để đun nóng dd CuSO4 lên 100,1oC (Quá trình gia nhiệt): 42 dd _ uS dd_dau . .(100,1 27,2) 4186.(1 0.0752).6,48.(100,1 27,2) 1 828 730.0C OQ C m      (J). Vì dd CuSO4 có nồng độ <20% nên có thể lấy 4uSO 4186.(1 %dd)CC   (trang 152-tập 1-Sổ tay các quá trình và thiết bị). -Nhiệt lượng nước lạnh giải nhiệt nhận được (Quá trình hoàn lưu và Quá trình kết thúc) _ _13 _1 _ _1 _ 2 _ _ 2 _ _ 2 . .( ).(10.60) . .( ).(65.60) 4 828 021.9 lanh vaonuoc nuoc lanh ra nuoc nuoc lanh ra lanh ra Q C G t t C G t t     (J) Ta có 310. .995 60nuoc G V   (kg/s). Cho _1 _ 2nuoc nuocC C cho quá trình tính toán đơn giản hơn. -Như vậy ta sẽ có biểu thức cân bằng năng lượng trong bài thí nghiệm: 1 2 3 4 fQ Q Q Q Q    (J) -Nếu bỏ qua năng lượng tổn thất 0fQ  , thì ta sẽ tính được phần nhiệt lượng còn lại Q 4 gia nhiệt cho dung dịch để dung môi bốc hơi trong hai quá trình hoàn lưu và quá trình kết thúc. 4 1 2 3Q Q Q Q   (J) -Tính năng lượng _ _boc hoi riengQ nồi đun cần cung cấp để bốc hơi 1 kg dung môi (hơi thứ): Trong bài thí nghiệm năng lượng '1Q cung cấp để thu được 2,243 kg dung môi bằng (bỏ qua giai đoạn hoàn lưu). ' 1 1 1 1 1 2 2W . W . 2000.(21,95.60) 1600.(65.60) 8 874 000,0Q t t     (J). ' 1 _ _ 8 874 000,0 3 956 937,5 2, 243 2, 243boc hoi rieng QQ    (J) -Công suất gia nhiệt cần thiết để làm bay hơi 2,243 kg dung môi (hơi thứ). ' 1 1 8 874 000,0 1 701,0 (21,95 65).60 QN t     (W) 4. Kết quả tính toán: Cân bằng vật chất dd _ daum (kg) dd _ cuoim (kg) dd _ daux (%) dd _ cuoix (%) _ tanchatm (kg) dmm (kg) 6,480 4,237 7,52 11,50 0,487 2,243 Cân bằng năng lượng Q1 (J) Nồi đun Q2 (J) Đun nóng lên 100,1 oC Q3 (J) Giải nhiệt Q4 (J) Gia nhiệt hoàn lưu-kết thúc _ _boc hoi riengQ (J) N1 (W) 9 774 000,0 1 828 730,0 4 828 021,9 3 117 248,1 3 956 937.5 1701,0 5. Bàn luận: 5.1. Nhận xét về nồng độ đo được: -Ở đây thiết bị là một nồi cô đặc làm việc gián đoạn nhưng cũng thể chuyển sang làm việc liên tục. -Ở chế độ cô đặc gián đoạn dung dịch cho vào một lần rồi cho bốc hơi, mức dung dịch trong thiết bị sẽ giảm dần cho đến khi đạt đến nồng độ yêu cầu, lúc đó ta sẽ tháo dung dịch ra làm sản phẩm và thực hiện một mẻ mới. -Trong bài thí nghiệm vì dd CuSO4 ổn định nhiệt nên ta không cần dùng hơi thứ mà truyền nhiệt trực tiếp qua bộ phận điện trở. Đun nóng dd cho đến khi “hơi thứ” (hơi nước) bốc hơi thì ta cho hoàn lưu hoàn toàn để cho quá trình ngưng tụ hơi thứ diễn ra ổn định một thời gian. Trong thiết bị ngưng tụ, nước lạnh chảy trong ống xoắn tiếp xúc gián tiếp với “hơi thứ” và “hơi thứ” sẽ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua đường ống riêng để trở lại nồi đun. Ta cho hoàn lưu 10 phút, sau đó ta chuyển qua lấy hơi thứ cho đủ 2 lít. -Hơi thứ ở đây là nước, vì nước là lỏng dễ bay hơi, CuSO4 là rắn còn dd Đồng Sunfat nặng hơn rất nhiều không thể bay hơi. Tuy vậy trong hơi thứ lấy ra có thể lẫn lượng rất nhỏ CuSO4 do bị nước bay hơi lôi cuốn. -Nồng độ ban đầu là 7,5 %, nồng độ cuối là 11,5%. Mà theo tính toán lý thuyết thì lượng “hơi thứ” đi ra phải là 2,243 kg hay 2,258 lít mà trong khi đó lượng “hơi thứ” thu được chỉ là 2 lít thôi ! Điều này cũng dễ giải thích do cấu tạo của thiết bị cô đặc, “hơi thứ” ngưng tụ được cho bình đo theo ống từ dưới lên nên có khả năng lượng “còn sót lại” 0,258 lít đã còn đọng lại trong đường ống. -Khi tính toán nhiệt lượng trong cô đặc gián đoạn, ta nhận thấy quá trình làm lạnh thu nhiều nhiệt nhất Q3 = 4 828 021,9 (J) vì nhiệt lượng do hơi nước tỏa ra là rất lớn, tiếp đến là quá trình đun nóng dd lên 100,1 oC cũng thu nhiều năng lượng Q2 = 1 828 730,0 (J). Cuối cùng là là hai quá trình gia nhiệt để hoàn lưu-kết thúc thu một lượng nhiệt Q4 = 3 117 248,1 (J). Tổng cộng lại (đã bỏ qua tổn thất nhiệt) thì bằng 9 774 000,0 (J) là lượng nhiệt mà nồi đun tỏa ra cung cấp cho toàn bộ thí nghiệm. Nếu bỏ qua giai đoạn hoàn lưu thì tổng năng lượng mà nồi đun cung cấp chỉ bằng 8 874 000.0 (J). Qua đó ta tính được nhiệt lượng bốc hơi riêng cho kg dung môi bay hơi bằng 3 956 937.5 (J). Và công suất gia nhiệt trung bình của nồi đun để làm bốc hơi 2.243 kg dung môi bằng 1 701,0 (J). 5.2. Các nguyên nhân gây sai số và cách khắc phục: Có nhiều cách để nhập liệu nhưng chính xác nhất là ta đong vào ống đong cho đủ 6 lít rồi đổ vào nồi đun. Thiết bị làm chủ yếu để quan sát, không có bộ phận cách nhiệt nên lượng nhiệt thất thoát ra ngoài là rất lớn và rất khó tính toán chính xác cân bằng năng lượng. Ngoài ra việc sử dụng đầu dò đo nồng độ gây sai số rất lớn, vì vậy để chắc ăn là ta lấy một lượng dd đi sấy khô hoặc tốt hết là nung ở 300 oC trong 30 phút để chuyển về dạng tinh thể CuSO4 trắng và đem cân, bấm máy tính là ra nồng độ. Trong thí nghiệm của bọn em sử dụng pp sấy thì vẫn còn tinh thể CuSO4.5H2O và phải chờ trong thời gian lâu. Đo nồng độ một lần chưa đủ, ta có thể đo tổng cộng 3 lần để kết quả chính xác hơn. Bài 4: Thực hành truyền nhiệt ống chùm Ngày thực hành: 7-11-2010 Sinh Viên: Ngô Mạnh Linh Mã số: 08097421 Lớp thực hành: Sáng Chủ nhật Tổ thực hành: 2 Điểm: Lời phê của thầy: 1. Mục đích thí nghiệm: Khảo sát quá trình truyền nhiệt khi đun nóng hoặc làm nguội gián tiếp giữa hai dòng lưu chất qua một bề mặt ngăn cách (bài thực hành này chủ yếu khảo sát quá trình làm nguội). Tính toán hiệu suất toàn phần dựa trên cân bằng nhiệt lượng ở những lưu lượng dòng khác nhau. Khảo sát ảnh hưởng của chiều chuyển động lên quá trình truyền nhiệt trong hai trường hợp: ngược chiều và xuôi chiều. Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị, từ đó so sánh với kết quả tính toán lý thuyết KLT. 2. Số liệu thực hành: 2.1. Trường hợp xuôi chiều: Thí nghiệm VN (l/ph) VL (l/ph) T1 (oC) Nồi đun T2 (oC) Nóng ra T3 (oC) Nóng vào T4 (oC) Lạnh ra T5 (oC) Lạnh vào 1 2 4 72 60 73 43 31 2 6 71 57 72 41 31 3 8 71 56 72 38 31 4 10 70 54 71 36 31 5 3 4 69 59 71 41 31 6 6 68 59 70 39 31 7 8 67 58 68 36 30 8 10 67 57 68 35 30 9 4 4 66 57 67 40 29 10 6 66 56 67 37 29 11 8 65 55 66 34 29 12 10 65 54 66 33 29 13 5 4 64 56 65 39 29 14 6 64 56 65 37 29 15 8 64 55 64 35 29 16 10 63 55 64 33 29 2.2. Trường hợp ngược chiều: Thí nghiệm VN (l/ph) VL (l/ph) T1 (oC) Nồi đun T2 (oC) Nóng ra T3 (oC) Nóng vào T4 (oC) Lạnh vào T5 (oC) Lạnh ra 1 2 4 69 50 67 28 33 2 6 69 52 68 28 33 3 8 69 52 68 28 33 4 10 69 52 68 28 33 5 3 4 68 55 68 28 33 6 6 68 55 68 28 36 7 8 68 56 68 28 35 8 10 68 55 68 28 34 9 4 4 68 57 67 28 38 10 6 68 56 68 28 36 11 8 68 55 68 28 35 12 10 68 55 68 28 34 13 5 4 67 58 67 28 38 14 6 67 58 67 28 38 15 8 67 57 67 29 36 16 10 66 57 66 29 35 3. Xử lý số liệu: 3.1. Tính toán hiệu suất nhiệt độ: -Hiệu số nhiệt độ của các dòng và hiệu suất nhiệt độ trong các quá trình truyền nhiệt: .100% N N V R N N L V V T T T T     .100% L L R V N N L V V T T T T     2 N L hi      Ta có: _ _N nong vao nong raT T T   _ _L lanh ra lanh vaoT T T   3.2. Xác định hiệu suất của quá trình truyền nhiệt: -Đổi lưu lượng thể tích sang lưu lượng khối lượng: 310. . 60N N nuoc G V    310. . 60L L nuoc G V    Với nuoc phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức thực nghiệm: 3 20,000015324364. 0,00584994855. 0,016286058705. 1000,04105055224nuoc T T T     (Tính NG thì 2 32 T TT  ; tính LG thì 4 52 T TT  ) -Tính nhiệt lượng dòng nóng, dòng lạnh, nhiệt tổn thất: 3. . 4,19.10 . .N N N N N NQ C G T G T    (Cp= 4,19.10 3 J/kg ở 710C) 3. . 4,18.10 . .L L L L L LQ C G T G T    (Cp= 4,18.10 3 J/kg ở 710C) f N LQ Q Q  -Tính hiệu suất của quá trình truyền nhiệt: .100%L N Q Q   3.3. Tính toán hệ số truyền nhiệt: 3.3.1. Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm: -Trường hợp xuôi chiều: ax _ _m nong vao lanh vaot t t   min _ _nong ra lanh rat t t   -Trường hợp ngược chiều: Ta xét: 1 _ _nong vao lanh rat t t   2 _ _nong ra lanh vaot t t   Cái nào lớn hơn thì là axmt . Cái nào bé hơn thì là mint . -Tính ax minlog ax min ln( ) m m t tt t t        -Tính diện tích truyền nhiệt: 19. . .tdF d L . Với 2 i o td d dd  , L=0.5 (m) -Theo công thức: log. .Q K F t  log. N TN QK F t    3.3.2. Hệ số truyền nhiệt lý thuyết: Được tính theo công thức: 1 2 1 1 1LT K        (Chuyển tường ống qua tường phẳng do 2 1 2r r  ) Có 0 2 id d  (m), _ _ 17,5thep khong ri  (W/m.K). Chỉ việc tính 1 và 2 . * Tính hệ số cấp nhiệt 1 (dòng nóng): -Chuẩn số Reynolds: w.Re id   Trong đó: w là vận tốc của dòng nóng: 2 w . 4 N i G d  v là độ nhớt của dòng nóng, có thể tra bảng hoặc tính theo công thức thực nghiệm sau: ( 6) 5 4 3 2 (10 )*(( 0.00000000064*( )) (0.000000182875*( )) (0.000021590001*( )) (0.001417871822*( )) (0.060504453881*( )) 1.790265284068) v T T T T T        (m2/s) -Chuẩn số Prandtl: _ . .Pr N nuoc dong nong C     _dong nong có thể được tính bằng cách tra bảng hay tính theo pp nội suy (trong chức năng thống kê của máy tính Casio) T lấy theo nhiệt độ trung bình đầu ra và đầu vào. -Chuẩn số Grashoff (dựa vào giá trị của Re rồi sau đó mới đi tính): 3 2 . . .g lGr t v   Với g=9.81 (m/s2), l là đường kính tương đương ở đây l=di ,  là hệ số giãn nở thể tích được tra trong bảng tra cứu, t là chênh lệch nhiệt độ _tuong nong vaot t t   . -Hệ số hiệu chỉnh k : phụ thuộc vào giá trị Reynolds và i L d (tra trong bảng 1.1 trang 33-sách QT & TB truyền nhiệt của TT máy và thiết bị-năm 2009). -Tính chuẩn số Nusselt: Nếu dòng nóng chảy xoáy: 0,8 0,430,021. .Re .PrkNu  (để đơn giản ta cho Pr 1 PrT  ) Nếu dòng nóng chảy quá độ: 0,8 0,430,008. .Re .PrkNu  Nếu dòng nóng chảy dòng: 0,33 0,43 0,10,158. .Re .Pr .kNu Gr * Tính hệ số cấp nhiệt 2 (dòng lạnh): như dòng nóng chỉ thay đổi các tham số đặc trưng của dòng lạnh. -Chuẩn số Reynolds: w.Re L tdd   Trong đó: w là vận tốc của dòng lạnh: 2 w .( ) 4 N L td G d  Với 2 2 0 0 .( 19. ) 44. 4. .( 19. ) i L uot td uot i D dFd C D d       -Chuẩn số Prandtl: _ . .Pr L nuoc dong lanh C     _dong lanh có thể được tính bằng cách tra bảng hay tính theo pp nội suy (trong chức năng thống kê của máy tính Casio) T lấy theo nhiệt độ trung bình đầu ra và đầu vào. -Chuẩn số Grashoff (dựa vào giá trị của Re rồi sau đó mới đi tính): 3 2 . . .g lGr t v   Với g=9.81 (m/s2), l là đường kính tương đương ở đây Ltdl d ,  là hệ số giãn nở thể tích được tra trong bảng tra cứu, t là chênh lệch nhiệt độ _tuong lanh vaot t t   . -Hệ số hiệu chỉnh k : phụ thuộc vào giá trị Reynolds và L td L d (tra trong bảng 1.1 trang 33-sách QT & TB truyền nhiệt của TT máy và thiết bị-năm 2009). -Tính chuẩn số Nusselt: Nếu dòng lạnh chảy xoáy: 0,8 0,430,021. .Re .PrkNu  (để đơn giản ta cho Pr 1 PrT  ) Nếu dòng lạnh chảy quá độ: 0,8 0,430,008. .Re .PrkNu  Nếu dòng lạnh chảy dòng: 0,33 0,43 0,10,158. .Re .Pr .kNu Gr 4. Kết quả tính toán: 4.1. Trường hợp xuôi chiều: Bảng kết quả tính toán hiệu suất nhiệt độ Thí nghiệm NT (0C) NT (0C) N (%) L (%) hi (%) 1 13 12 31.0 28.6 29.8 2 15 10 36.6 24.4 30.5 3 16 7 39.0 17.1 28.0 4 17 5 42.5 12.5 27.5 5 12 10 30.0 25.0 27.5 6 11 8 28.2 20.5 24.4 7 10 6 26.3 15.8 21.1 8 11 5 28.9 13.2 21.1 9 10 11 26.3 28.9 27.6 10 11 8 28.9 21.1 25.0 11 11 5 29.7 13.5 21.6 12 12 4 32.4 10.8 21.6 13 9 10 25.0 27.8 26.4 14 9 8 25.0 22.2 23.6 15 9 6 25.7 17.1 21.4 16 9 4 25.7 11.4 18.6 Bảng kết quả tính toán hiệu suất truyền nhiệt Thí nghiệm GN (kg/s) GL (kg/s) QN (W) QL (W) Qf (W)  (%) 1 0.032659 0.066227 1778.9 3322.0 -1543.0 186.7 2 0.032696 0.099376 2054.9 4153.9 -2099.0 202.1 3 0.032705 0.132569 2192.5 3879.0 -1686.5 176.9 4 0.032732 0.165766 2331.5 3464.5 -1133.0 148.6 5 0.049030 0.066251 2465.2 2769.3 -304.1 112.3 6 0.049043 0.099410 2260.4 3324.3 -1063.9 147.1 7 0.049084 0.132634 2056.6 3326.5 -1269.9 161.7 8 0.049097 0.165820 2262.9 3465.6 -1202.7 153.1 9 0.065481 0.066285 2743.7 3047.8 -304.1 111.1 10 0.065499 0.099476 3018.8 3326.5 -307.6 110.2 11 0.065534 0.132697 3020.5 2773.4 247.1 91.8 12 0.065551 0.165897 3295.9 2773.8 522.1 84.2 13 0.081917 0.066296 3089.1 2771.2 317.9 89.7 14 0.081917 0.099476 3089.1 3326.5 -237.4 107.7 15 0.081961 0.132677 3090.7 3327.5 -236.8 107.7 16 0.081961 0.165897 3090.7 2773.8 316.9 89.7 Bảng kết quả tính toán hệ số truyền nhiệt: Thí nghiệm QN (W) tmax (0C) tmin (oC) tlog (oC) KLT (W/m2.K) KTN (W/m2.K) 1 1778.9 42 17 27.6 120.1 179.7 2 2054.9 41 16 26.6 158.1 216.0 3 2192.5 41 18 27.9 189.9 219.1 4 2331.5 40 18 27.6 217.8 236.3 5 2465.2 40 18 27.6 129.5 249.8 6 2260.4 39 20 28.5 175.5 221.8 7 2056.6 38 22 29.3 215.3 196.2 8 2262.9 38 22 29.3 253.3 215.8 9 2743.7 38 17 26.1 129.3 293.4 10 3018.8 38 19 27.4 175.0 307.5 11 3020.5 37 21 28.2 215.8 298.6 12 3295.9 37 21 28.2 254.4 325.8 13 3089.1 36 17 25.3 129.4 340.6 14 3089.1 36 19 26.6 176.0 324.3 15 3090.7 35 20 26.8 218.0 322.0 16 3090.7 35 22 28.0 256.6 308.2 4.2. Trường hợp ngược chiều: Bảng kết quả tính toán hiệu suất nhiệt độ Thí nghiệm NT (0C) NT (0C) N (%) L (%) hi (%) 1 17 5 43.6 12.8 28.2 2 16 5 40.0 12.5 26.3 3 16 5 40.0 12.5 26.3 4 16 5 40.0 12.5 26.3 5 13 5 32.5 12.5 22.5 6 13 8 32.5 20.0 26.3 7 12 7 30.0 17.5 23.8 8 13 6 32.5 15.0 23.8 9 10 10 25.6 25.6 25.6 10 12 8 30.0 20.0 25.0 11 13 7 32.5 17.5 25.0 12 13 6 32.5 15.0 23.8 13 9 10 23.1 25.6 24.4 14 9 10 23.1 25.6 24.4 15 10 7 26.3 18.4 22.4 16 9 6 24.3 16.2 20.3 Bảng kết quả tính toán hiệu suất truyền nhiệt Thí nghiệm GN (kg/s) GL (kg/s) QN (W) QL (W) Qf (W)  (%) 1 0.032801 0.066369 2336.4 1387.1 949.3 59.4 2 0.032776 0.099553 2197.3 2080.7 116.6 94.7 3 0.032776 0.132737 2197.3 2774.2 -576.9 126.3 4 0.032776 0.165922 2197.3 3467.8 -1270.5 157.8 5 0.049124 0.066369 2675.8 1387.1 1288.7 51.8 6 0.049124 0.099507 2675.8 3327.5 -651.7 124.4 7 0.049111 0.132697 2469.3 3882.7 -1413.4 157.2 8 0.049124 0.165897 2675.8 4160.7 -1484.9 155.5 9 0.065481 0.066317 2743.7 2772.1 -28.4 101.0 10 0.065481 0.099507 3292.4 3327.5 -35.1 101.1 11 0.065499 0.132697 3567.7 3882.7 -315.0 108.8 12 0.065499 0.165897 3567.7 4160.7 -593.0 116.6 13 0.081829 0.066317 3085.8 2772.1 313.7 89.8 14 0.081829 0.099476 3085.8 4158.1 -1072.3 134.8 15 0.081851 0.132656 3429.6 3881.5 -451.9 113.2 16 0.081873 0.165846 3087.4 4159.4 -1072.0 134.7 Bảng kết quả tính toán hệ số truyền nhiệt: Thí nghiệm QN (W) tmax (0C) tmin (oC) tlog (oC) KLT (W/m2.K) KTN (W/m2.K) 1 2336.4 22 34 27.6 115.6 236.7 2 2197.3 24 35 29.2 153.3 210.4 3 2197.3 24 35 29.2 185.6 210.4 4 2197.3 24 35 29.2 214.2 210.4 5 2675.8 27 35 30.8 125.4 242.4 6 2675.8 27 32 29.4 172.4 253.9 7 2469.3 28 33 30.4 213.4 226.6 8 2675.8 27 34 30.4 251.1 246.0 9 2743.7 29 29 29.0 128.2 264.2 10 3292.4 28 32 30.0 174.0 306.9 11 3567.7 27 33 29.9 215.9 333.2 12 3567.7 27 34 30.4 254.5 328.1 13 3085.8 30 29 29.5 128.7 292.1 14 3085.8 30 29 29.5 176.1 292.1 15 3429.6 28 31 29.5 218.7 324.9 16 3087.4 28 31 29.5 258.2 292.5 5. Đồ thị: 5.1. Trường hợp xuôi chiều: Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm Quan hệ giữa Lưu lượng-Hệ số truyền nhiệt (Xuôi chiều) 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 VN= 2 (l/ph) VN= 3 (l/ph) VN= 4 (l/ph) VN= 5 (l/ph) Lưu lượng dòng nóng K T N (W /m 2 .K ) VL=4 (l/ph) VL=6 (l/ph) VL=8 (l/ph) VL=10 (l/ph) Hệ số truyền nhiệt lý thuyết Quan hệ giữa Lưu lượng-Hệ số truyền nhiệt (Xuôi chiều) 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 VN= 2 (l/ph) VN= 3 (l/ph) VN= 4 (l/ph) VN= 5 (l/ph) Lưu lượng dòng nóng K L T (W /m 2 .K ) VL=4 (l/ph) VL=6 (l/ph) VL=8 (l/ph) VL=10 (l/ph) Đồ thị biểu diễn KTN và KLT Trường hợp xuôi chiều 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Thí nghiệm thứ i K ( W /m 2 . K ) KTN KLT 5.2. Trường hợp ngược chiều: Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm Quan hệ giữa Lưu lượng-Hệ số truyền nhiệt (Ngược chiều) 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 VN= 2 (l/ph) VN= 3 (l/ph) VN= 4 (l/ph) VN= 5 (l/ph) Lưu lượng dòng nóng K T N (W /m 2 . K) VL=4 (l/ph) VL=6 (l/ph) VL=8 (l/ph) VL=10 (l/ph) Hệ số truyền nhiệt lý thuyết Quan hệ giữa Lưu lượng-Hệ số truyền nhiệt (Ngược chiều) 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 VN= 2 (l/ph) VN= 3 (l/ph) VN= 4 (l/ph) VN= 5 (l/ph) Lưu lượng dòng nóng K L T (W /m 2 . K) VL=4 (l/ph) VL=6 (l/ph) VL=8 (l/ph) VL=10 (l/ph) Đồ thị biểu diễn KTN và KLT Trường hợp xuôi chiều 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Thí nghiệm thứ i K ( W /m 2 .K ) KTN KLT 5.3. Quan hệ giữa chiều chuyển động và hệ số truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm Quan hệ giữa chiều chuyển động-Hệ số truyền nhiệt 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Thí nghiệm thứ i K T N (W /m 2 .K ) Xuôi chiều Ngược chiều Hệ số truyền nhiệt lý thuyết Quan hệ giữa chiều chuyển động-Hệ số truyền nhiệt 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Thí nghiệm thứ i K L T (W /m 2 .K ) Xuôi chiều Ngược chiều 6. Bàn luận: Vì đầu dò báo sai nên ta sẽ không nói đến các yếu tố phụ thuộc nhiệt độ có độ sai số lớn như N , L và hi mà đi xét đến các yếu tố quan trọng, những tính toán cuối cùng trong bài này. Ta sẽ đi đánh giá sự ảnh hưởng các yếu tố qua hệ số truyền nhiệt K. Hệ số truyền nhiệt K đặc trưng cho lượng nhiệt truyền từ lưu thể nóng tới lưu thể nguội qua 1m2 bề mặt tường phẳng trong một đơn vị thời gian khi hiệu số chênh lệch nhiệt độ giữa hai lưu thể là một độ. Hệ số truyền nhiệt càng lớn thì lượng nhiệt mà lưu thể lạnh nhận được từ lưu thể nóng càng tăng. Nghĩa là quá trình truyền nhiệt càng đạt hiệu quả (hiệu suất cao vì L N Q Q  ) 6.1. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng đến quá trình truyền nhiệt: Ta thấy hệ số truyền nhiệt K rất không ổn định theo lưu lượng dòng, hiệu suất của quá trình truyền nhiệt đạt cao nhất ở mức VN=5 l/ph và VL=2 l/ph ở trường hợp cùng chiều; VN=4 l/ph và VL=8 l/ph ở trường hợp ngược chiều (đánh giá theo hệ số truyền nhiệt K). 6.2. Đánh giá sự ảnh hưởng của chiều chuyển động các dòng đến quá trình truyền nhiệt: -Đối với hệ số truyền nhiệt tính từ thực nghiệm ta nhận thấy KTN khi xuôi chiều thì gần như tương đương so với trường hợp ngược chiều (nhìn trên đồ thị thấy hai đường này xoắn lại với nhau). -Đối với hệ số truyền nhiệt K tính theo lý thuyết thì ta thấy KLT khi xuôi chiều nhỉnh hơn so với khi ngược chiều nhưng không đáng bao nhiêu (hai đường trên đồ thị gần như trùng nhau). Qua đó ta có thể kết luận, trong trường hợp truyền nhiệt ống chùm thì chiều chuyển động theo trường hợp xuôi chiều hay ngược chiều cũng được (rút từ thực nghiệm). 6.3. So sánh hệ số truyền nhiệt thực nghiệm với hệ số truyền nhiệt lý thuyết: Thấy rằng hệ số truyền nhiệt K trong bài này thì nhỏ hơn rất nhiều so với 2 bài truyền nhiệt ống lồng ống Đồng và ống xoắn. Trong cả hai trường hợp ngược chiều và xuôi chiều, ta đều thấy KTN lớn hơn KLT . -Sở dĩ có sự khác nhau như vậy là vì trong quá trình tính toán KTN chỉ có tính đến QN và logt mà 2 yếu tố này lại phụ thuộc vào nhiệt độ do các đầu dò báo về. log. N TN QK F t   Việc đầu dò báo sai chúng ta có thể hiệu chỉnh được. Nhưng Qf mà âm thì theo em nghĩ là do quá trình truyền nhiệt từ dòng nóng sang dòng lạnh, nhiệt lượng đã bị mất mát hao tổn ra bên ngoài. Lượng nhiệt tổn thất này không thể đo chính xác. Chính nó đã làm cho việc tính toán không ổn định. Bởi vì khi tăng lưu lượng dòng lạnh hay lưu lượng dòng nóng càng lớn, nhiệt truyền từ dòng nóng sang dòng nguội càng cao, thì lượng nhiệt tổn thất này cũng tăng lên nhanh chóng. -Trong quá trình tính toán KLT thì ta sẽ đi tính các chuẩn số đồng dạng như Nusselt, Reynolds, Prandlt, Grashoff để tính hệ số cấp nhiệt của dòng nóng 1 và của dòng lạnh 2 . Ta nhận thấy 1 của dòng nóng có giá trị xấp xỉ bằng nhau ở cùng một mức lưu lượng VN và tăng lên khi VN tăng. Đối với 2 của dòng lạnh thì chỉ tăng khi VL tăng , điều này được giải thích là do VL tăng dẫn đến vận tốc dòng lạnh tăng dẫn đến Re tăng dẫn đến Nusselt tăng tỷ lệ thuận với 2 . -Ta thấy rằng hệ số cấp nhiệt 1 của dòng nóng lớn hơn rất nhiều 2 dòng lạnh. Có nghĩa là dòng lạnh nhận được lượng nhiệt từ nguồn nóng trong một đơn vị thời gian là rất lớn và khả năng nhận nhiệt của dòng lạnh là chưa tương xứng với dòng nóng. Điều này được giải thích là do dòng nóng chảy trong ống xoắn có đường kính nhỏ, chế độ chảy xoáy (Re>10000) có sự đối lưu giữa các lớp nước làm cho quá trình cấp nhiệt nhanh hơn. Còn dòng lạnh chảy trong ống có đường kính lớn hơn rất nhiều, chế độ chảy dòng (Re<2300). Bảng kết quả tính hệ số cấp nhiệt Thí nghiệm 1 dòng nóng (W/m2.K) 2 dòng lạnh (W/m2.K) Trường hợp cùng chiều 1 1104.1 135.8 2 1094.9 186.7 3 1092.5 232.9 4 1085.4 276.8 5 3945.0 135.0 6 3936.6 185.6 7 3911.1 230.9 8 3902.6 275.2 9 4901.6 133.8 10 4890.7 183.4 11 4868.8 228.8 12 4857.8 272.6 13 5820.4 133.4 14 5820.4 183.4 15 5793.9 229.5 16 5793.9 272.6 Trường hợp 1 1065.9 130.6 ngược chiều 2 1073.3 180.6 3 1073.3 227.4 4 1073.3 271.8 5 3885.3 130.6 6 3885.3 182.3 7 3894.0 228.8 8 3885.3 272.6 9 4901.6 132.6 10 4901.6 182.3 11 4890.7 228.8 12 4890.7 272.6 13 5872.6 132.6 14 5872.6 183.4 15 5859.6 230.2 16 5846.6 274.3 Ta nhận thấy rằng truyền nhiệt trong ống chùm thì không ổn định so với truyền nhiệt ống lồng ống Đồng và ống xoắn (nhìn đồ thị). 4. Một vài nhận xét về thiết bị: -Thiết bị truyền nhiệt loại đường ống sử dụng trong bài thí nghiệm này có thể sử dụng được cho 4 bài: ống lồng ống Đồng, ống lồng ống Inox, ống xoắn, ống chùm. Khảo sát quá trình truyền nhiệt trong hai trường hợp chảy xuôi chiều và chảy ngược chiều. -Thiết bị dễ tháo lắp dễ dàng khi thay bộ phận, nhưng một vài chỗ còn khiếm khuyết như không có bộ phận cách nhiệt giữa nồi đun với môi trường bên ngoài, không có bộ phận cách nhiệt với giữa đường ống với môi trường bên ngoài để giảm tối thiểu nhiệt tổn thất , bộ điều khiển sử dụng là loại ON-OFF nên độ trễ thời gian lớn, đầu dò nhiệt độ hay đo sai, vị trí đặt đầu dò không chính xác (sử dụng đầu dò “xịn” chưa đủ mà cái chính là ta phải đặt đúng vị trí trong dòng chảy). Để cải thiện những điều này thì khó thực hiện, cần phải có thêm thời gian và công sức. NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ VỀ 3 BÀI TRUYỀN NHIỆT Rút từ thực nghiệm: Yếu tố Bài 1: TN ống lồng ống Đồng Bài 2: TN ống xoắn Bài 3: TN ống chùm Hệ số truyền nhiệt K Lớn nhất Trung bình Nhỏ nhất Tăng lưu lượng dòng nóng và dòng lạnh K tăng nhanh K tăng chậm Không ổn định (tăng giảm quanh 1 vị trí) Hệ số cấp nhiệt  của dòng nóng <  của dòng lạnh  của dòng nóng >>  của dòng lạnh Hệ số cấp nhiệt dòng nóng Nhỏ nhất Lớn nhất Trung bình Tăng khi tăng VN và hầu như không đổi khi tăng VL Hệ số cấp nhiệt dòng lạnh Lớn nhất Nhỏ nhất Nhỏ nhất Tăng khi tăng VL và hầu như không đổi khi tăng VN Chế độ chảy dòng nóng Chảy xoáy Chảy xoáy Chảy xoáy dòng nguội Chảy xoáy Chảy dòng Chảy quá độ Chiều chuyển động K thực nghiệm K xuôi chiều > K ngược chiều Tương đương K lý thuyết K ngược chiều > K xuôi chiều K xuôi chiều > K ngược chiều Bằng nhau Tính ổn định khi truyền nhiệt Trung bình Ổn định nhất Kém ổn định Ngoại quan Ưu điểm -Chế tạo đơn giản -Chế tạo đơn giản có thể làm bằng vật liệu chống ăn mòn, dễ kiểm tra và sửa chữa -Cấu tạo gọn, chắc chắn, tốn ít kim loại (tính theo một đơn vị truyền nhiệt), dễ làm sạch phía trong ống Nhược điểm -Cồng kềnh, giá thành cao, tốn nhiều vật liệu chế tạo (tính theo một đơn vị truyền nhiệt), khó làm sạch khoảng trống giữa hai ống -Cồng kềnh, hệ số truyền nhiệt nhỏ do hệ số cấp nhiệt ngoài bé, khó làm sạch phía trong ống, trở lực thủy lực lớn hơn ống thẳng. -Khó chế tạo bằng vật liệu không nong và hàn được như gang, thép silic... Qua những so sánh trên tùy theo mục đích sử dụng và tính kinh tế mà chúng ta chọn thiết bị sao cho đạt hiệu quả làm việc cao nhất. DANH MỤC SÁCH THAM KHẢO & TRA CỨU [1]. Quá trình và thiết bị truyền nhiệt (2009); TT Máy và Thiết Bị; Trường ĐH Công Nghiệp tp HCM; tr26-35, tr 116-130. [2]. Giáo trình thực hành Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt (2010); nhóm 3 lớp DHVC3; Trường ĐH Công Nghiệp tp HCM; (cả 3 bài truyền nhiệt) [3]. Giáo trình thực hành Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt (2009); TT Máy và Thiết Bị; Trường ĐH Công Nghiệp tp HCM; tr 299-332 (bài cô đặc). [4]. Bảng tra cứu quá trình cơ học, truyền nhiệt-truyền khối (2010); Bộ môn máy và thiết bị trường ĐH Bách Khoa tp HCM; tr 28, tr 35. [5]. Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất-Tập 1 (2006); TS. Trần Xoa, TS. Nguyễn Trọng Khuông, KS. Hồ Lê Viên; tr 152, tr 357-358. [6]. Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất-Tập 2 (2006); TS. Trần Xoa, TS. Nguyễn Trọng Khuông, TS. Phạm Xuân Toản; tr 11-20, tr 55-74.