Tài liệu Quá trình đối lưu nhiệt

Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt QUÁ TRÌNH ĐỐI LƯU NHIỆT 1. TRÍCH YẾU : 1.1. Mục đích thí nghiệm: 1) Giúp sinh viên củng cố kiến thức về sự truyền nhiệt đối lưu. 2) Giúp sinh viên làm quen với cấu tạo, nguyên lý hoạt động của thiết bị và phương pháp thí nghiệm về sự trao đổi nhiệt đối lưu. 3) Khảo sát thực nghiệm hệ số cấp nhiệt ở dòng lưu chất không có biến đổi pha và dòng lưu chất có biến đổi pha với chế độ ngưng tụ chảy màng trong hai trường hợp: đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức. 4) So sánh hệ số cấp nhiệt và hệ số truyền nhiệt lý thuyết với hệ số cấp nhiệt và truyền nhiệt thực nghiệm. 5) Thiết lập cân bằng nhiệt lượng trong quá trình trao đổi nhiệt đối lưu. 1.2. Phương pháp thí nghiệm: Chuẩn bị dụng cụ và điều kiện thí nghiệm  chuẩn bị cấp nước lạnh  chuẩn bị cấp hơi nước  khi quá trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định thì tiến hành đo đồng loạt các đại lượng  ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác (tiến hành 5 thí nghiệm ứng với 5 vị trí tấm chảy tràn)  kết thúc thí nghiệm. 1.3. Kết quả thí nghiệm: Bảng 1: ST T 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 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) Thời gian đo lượng nước ngưng (s) Trang 1 Vị trí tấm chảy tràn (inch) 0 ½ ¾ 1 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 9 11 10 10,5 10 11 14 12,5 13,5 13,5 19 14 16,5 18 26 60 60 60 60 60 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị 11 12 13 2. Đối lưu nhiệt Nhiệt độ nước ngưng t’C (oC) Lượng nước chảy trong ống (ml) 54,5 362 Thời gian đo nước chảy trong ống (s) 60 38,5 562 60 42,5 765 60 52 850 58,5 120 60 0 60 LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM : Sự truyền nhiệt giữa hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài ống đứng với dòng nước lạnh chảy trong ống là một dạng truyền nhiệt được đặc trưng bởi 2 quá trình: trao đổi nhiệt đối lưu trong trường hợp có biến đổi pha (hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ống đứng) và trao đổi nhiệt đối lưu ở dòng lưu chất không có biến đổi pha (dòng nước lạnh chảy trong ống). Bỏ qua nhiệt trở thành ống. Sự ngưng tụ hơi nước ở thiết bị thí nghiệm được xem như sự ngưng tụ với màng chảy xếp lớp (chảy màng). Dòng nước lạnh chảy trong ống đứng (gọi tắt là dòng lạnh) được thực hiện với 2 chế độ chảy: chuyển động tự nhiên và chuyển động Ftr Fng N tr  C  ng cưỡng bức. Sơ đồ cơ chế truyền nhiệt đối lưu được biểu diễn ở hình 1. V, C : bề dày thành ống và bề dày màng nước tS ngưng tụ, m. dtr, dng : đường kính trong và ngoài ống, m. tN t Vtr t Vng Ftr, Fng : diện tích bề mặt bên trong và bên ngoài ống đứng có chiều cao H, m2. ts : nhiệt độ hơi nước bão hòa, oC. d tr  V  C tN: nhiệt độ trung bình của nước trong ống, oC. d ng Trang 2 Hình 1: Sô ñoà cô cheá truyeàn nhieät ñoái löu Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt tVtr, tVng:nhiệt độ trung bình của vách trong và vách ngoài ống, oC. C = ng:hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ (phía lưu chất bên ngoài), W/m2.K N = tr:hệ số cấp nhiệt phía nước lạnh (phía lưu chất trong ống), W/m2.K q: mật độ dòng nhiệt truyền qua vách, W/m2. 2.1. Phương trình cân bằng nhiệt: Nhiệt lượng dòng nước lạnh nhận được: Q1 = GNCPN(t3 – t1), W (1) Nhiệt lượng tỏa ra khi hơi nước ngưng tụ: Q2 = GC[r + CPC(tS - tC )], W (2) Trong trường hợp truyền nhiệt ổn định và không có tổn thất nhiệt, ta có phương trình cân bằng nhiệt sau: Q = Q1 = Q2 = GNCPN(t3 – t1) = GC[r + CPC(tS - tC )] (3) Trong đó:  GN, GC : lưu lượng khối của dòng nước trong ống và dòng nước ngưng tụ, kg/s  t1, t3 : nhiệt độ đầu và cuối của dòng nước chảy trong ống, oC  tS : nhiệt độ hơi nước bão hòa ngưng tụ ở áp suất thí nghiệm, oC tC  : nhiệt độ trung bình của nước ngưng tụ, oC tC =  t’C t S +t ' C 2 , oC (4) : nhiệt độ nước ngưng tụ chảy ra (trong thực tế t’ C là nhiệt độ quá lạnh của nước ngưng tụ), oC  CPN : nhiệt dung riêng của nước chảy trong ống, xác định ở nhiệt độ trung bình của nước, J/kg.K tN= t 1 +t 3 2 , oC (5) tC , J/kg.K  CPC : nhiệt dung riêng của nước sau khi ngưng tụ ở nhiệt độ  r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở nhiệt độ tS, J/kg Sự cân bằng nhiệt cũng có thể được thực hiện bằng phương trình truyền nhiệt đối lưu ở chế độ ổn định và không có tổn thất nhiệt: Trang 3 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt Q = Q’1 = Q’2 Trong đó: Q’1 = qtrFtr = tr(tVtr ⇒ α tr = t N )F , W tr Q' 1 (t Vtr−t N ) Ftr , W/m2.K (6) Q’2 = qngFng = ng(tS - tVng)Fng, W ⇒ α ng= Q' 2 ( t S −t Vng ) F ng , W/m2.K (7) Theo lý thuyết: Q’1 = Q’2 = Q1 = Q2 = Q Từ 2 công thức (6) và (7) có thể xác định hệ số cấp nhiệt thực nghiêm phía dòng lạnh trong ống (tr) và hệ số cấp nhiệt phía hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài ống (ng). Trong trường hợp nhiệt trở của vách truyền nhiệt không đáng kể (ống đồng có hệ số dẫn nhiệt lớn: V = 1272 W/mK và thành ống mỏng), ta có: t Vtr ≈t Vng = t 2 +t 4 2 , oC (8) tVtr ,t Vng : nhiệt độ trung bình tại vách trong và vách ngoài ống truyền nhiệt,  o C  t2, t4 : nhiệt độ tại thành ngoài ở đầu vào (đầu dưới) và đầu ra (đầu trên) của ống, oC 2.2. Hệ số truyền nhiệt tổng quát: K=  Q F tr Δt log , W/m2.K (9) Q : nhiệt lượng tính theo công thức (1) Δt log= ( t S −t 3 )−( t S −t 1 ) ln (t S −t 3 ) ( t S −t 1 ) ,K Trang 4 (10) Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị 2.3. Đối lưu nhiệt Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (hệ số cấp nhiệt) phía dòng nước lạnh chảy trong ống (N hay tr) Hệ số cấp nhiệt N (hay tr) được xác định tùy thuộc vào dạng trao đổi nhiệt (đối lưu tự nhiên hay đối lưu cưỡng bức) và chế độ chảy của dòng lưu chất: chảy xếp lớp (chảy màng), chảy rối hay chế độ chuyển tiếp. Dòng lưu chất đối lưu tự nhiên hay cưỡng bức có thể phân biệt dựa theo giá trị của Gr 2,5 tỷ số Re Gr Re2,5 : Gr 2,5 10-3 < Re  10-3 Re= Vùng hỗn hợp 2 dòng đối lưu wd tr ν =  10-2 10-2 Dòng lưu chất đối lưu cưỡng bức Ở đây:  10-2 10-3 Gr Re2,5 Gr Re2,5 Dòng lưu chất đối lưu tự nhiên 4GN πd tr ρν (11) Với:  w : vận tốc dòng, m/s   : độ nhớt động học của lưu chất, m2/s   : khối lượng riêng của lưu chất, kg/m3 2.3.1. Trường hợp đối lưu tự nhiên: Hệ số cấp nhiệt N (hay tr) ở trường hợp đối lưu tự nhiên được xác định từ chuẩn số Nusselt (Nu): Gr . Pr d tr H 1 Nu= × 1−exp −16 × 32 H d tr Gr . Pr { [ ( Trong đó: Trang 5 0 , 75 ) ]} (12) Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Nu= Gr = α N d tr = Đối lưu nhiệt α N d tr λ λ 3 β gd tr Δt ν2 Δt =t Vtr −t N ν Pr= ( tra baûng ) a tN= Các thông số vật lý của nước được xác định ở nhiệt độ trung bình: t 1 +t 3 2 , o C 2.3.2. Trường hợp đối lưu cưỡng bức: d tr * Ở chế độ chảy màng (Re < 2300) với Re.Pr. H >10 : ( Nu=1 , 86 Re . Pr. dtr H 1/3 μ μVtr 0 , 14 )( ) Các thông số vật lý được xác định ở nhiệt độ trung bình (13) tN= t 1 +t 3 2 , oC. Riêng Vtr được xác định ở nhiệt độ trung bình của vách trong tVtr. d tr * Ở chế độ chuyển tiếp (2300 < Re < 10000) với 0,7 < Pr < 120 và Nu = 0,023Re0,8Pr1/3 H > 50 : (14) Nếu bỏ qua ảnh hưởng của lực nâng với dòng chảy ta có thể áp dụng công thức của Mikhaev để tính Nu*: ¿ Nu M= Pr Pr 0 , 43 Pr Vtr 0 , 14 =f (Re ) ( ) Giá trị thực nghiệm của M được cho trong bảng 1. Trang 6 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt Bảng 2: Re.10-3 M 2,2 2,3 2,5 3 3,5 4 2,2 3,6 4,9 7,5 10 12, 2 2.4. 5 16, 6 20 7 24 8 27 9 30 10 33 5 Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ: Hệ số cấp nhiệt trong trường hợp ngưng tụ hơi tinh khiết bão hòa được xác định tùy thuộc vào chế độ chảy của dòng lỏng ngưng tụ. Các trường hợp chất ngưng tụ chảy màng, hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi tinh khiết trên bề mặt ống đứng được xác định theo công thức lý thuyết của Nusselt (xác lập bằng phương pháp giải tích): α C =0 , 943 Ở đây: ( gr S ρ2C λC3 μC HΔt ( ) 0, 25 m Δt=t S −t Vng = t S − (16) t2+ t4 2 ) ,K Các thông số vật lý được xác định ở nhiệt độ trung bình t m= t S +t Vng 2 , oC. Riêng rS được xác định ở nhiệt độ tS đối với hơi nước bão hòa. Công thức (16) có thể biến đổi về phương trình tiêu chuẩn đồng dạng sau: αC H rS gH 3 ν C NuC = =0,943 2 . . λC λC C PC (t S −tVng ) νC ρC C PC [ ] 0 ,25 m 0 , 25 0, 25 = 0 , 943(GaC . Pr C . K )m =0 , 943( K o )m (17) Ở đây: rS K = C PC (t S −t Vng ) là chuẩn số đồng dạng của Kutalelagze. Trường hợp nước ngưng tụ chảy màng không phụ thuộc vào vận tốc (tức không phụ thuộc vào Re), hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ chảy màng có thể xác định từ chuẩn số Nu theo công thức thực nghiệm sau đây: Trang 7 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị NuC =0 , 42(Ga. Pr . K )0S ,28 ¿ Đối lưu nhiệt μS μVng 0, 25 ( ) =0 , 42( K o )0S ,28 μS μVng 0 ,25 ( ) (18) Khác với công thức (16) ở đây các thông số vật lý được xác định ở nhiệt độ t S. Riêng PrVng xác định ở nhiệt độ trung bình của vách ngoài 3. t Vng = t 2 +t 4 2 , 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 và điều kiện thí nghiệm : 6) Chuẩn bị ống nghiệm đo nước ngưng tụ. 7) Chuẩn bị ống nghiệm đo lượng nước chảy trong ống. 8) Chuẩn bị nhiệt kế đo nhiệt độ nước ngưng tụ chảy ra. 9) Chuẩn bị một đồng hồ bấm giây để đo thời gian nước chảy trong ống và thời gian nước ngưng tụ chảy ra. 10) Kiểm tra nguồn điện, nguồn nước và các dụng cụ đo trên thiết bị thí nghiệm. b) Chuẩn bị cấp nước lạnh : 1) Khóa các van V1, V4, S1 và mở các van V2 và V5. 2) Điều chỉnh tấm chảy tràn ở vị trí mong muốn theo yêu cầu của bài thí nghiệm. 3) Mở van V1 và điều chỉnh để giữ mực nước ổn định ở bình chảy tràn. c) Chuẩn bị cấp hơi nước : 1) Khóa các van: S1, S3, S5, V3, V6, V8. 2) Mở van S4 xả hết nước ngưng dư rồi khóa lại. 3) Mở van V7. 4) Cho nước vào bình chứa đến ¾ chiều cao bình và mở nắp bình. Mở van V8 cấp nước cho nồi đun và khóa van V8 khi mực nước trong nồi đun đạt 2/3 chiều cao ống chỉ mức. 5) Đóng van V7. Trang 8 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt 6) Cấp điện cho bộ điện trở đun nước R 1 cho đến khi áp suất trong nồi đun đạt khoảng 15PSI. 7) Cấp điện cho bộ điện trở R2 để gia nhiệt cho hơi nước (nếu có R2). 3.2.2. Tiến hành thí nghiệm: 1) Điều chỉnh dòng nước lạnh chảy trong ống theo yêu cầu của bài thí nghiệm. 2) Khi áp suất trong nồi đun đạt 15PSI, mở hoàn toàn van V 7 và mở từ từ van V6 và điều chỉnh để áp suất hơi đi vào buồng thí nghiệm khoảng 10PSI. Van V 6 phải mở để đủ hơi ngưng tụ trên bề mặt ống truyền nhiệt và áp suất trong buồng thí nghiệm xấp xỉ bằng với áp suất khí quyển. 3) Khi quá trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định, tiến hành đo đồng loạt các đại lượng: - Lượng nước ngưng tụ trong một khoảng thời gian nhất định và nhiệt độ của nước ngưng tụ. - Lượng nước chảy trong ống trong ống trong ống trong một khoảng thời gian nhất định. - Nhiệt độ t1, t2, t3, t4 (đồng hồ hiện số). - Ap suất trong nồi hơi (áp kế P2). - Nhiệt độ của hơi trong nồi hơi (đồng hồ đo nhiệt độ T2). - Ap suất hơi đo bằng đồng hồ đo áp suất P3. - Nhiệt độ hơi đi vào buồng ngưng tụ đo bằng đồng hồ đo nhiệt độ T3. * Trong khi đo thường xuyên quan sát mức nước trong bình chảy tràn và mức nước trong nồi hơi. 3.2.3. Ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác: 1) Sau khi đo xong, ngắt điện cấp cbo nồi hơi, đóng các van V 6, V7, mở van xả hơi S5. Nạp nước vào bình chứa. Mở van V 8 cấp nước cho nồi hơi rồi khóa van V 8 lại, khóa van xả hơi S5. 2) Khóa van V1, mở vòi xả S4 để xả hết nước nóng rồi khóa vòi S4 lại. 3) Chuyển vị trí tấm chảy tràn theo yêu cầu của bài thí nghiệm tiếp theo và lặp lại quy trình thao tác như ở thí nghiệm trước. Trang 9 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt 4) Các thí nghiệm được tiến hành với các vị trí ống chảy tràn như sau: - Vị trí “0”: đối lưu tự nhiên. - Vị trí “½, ¾,1, 1 ½”: đối lưu cưỡng bức. 3.2.4. Kết thúc thí nghiệm: Trình tự thao tác khi kết thúc thí nghiệm: 1) Ngắt cầu dao điện cho nồi hơi. 2) Ngắt điện cho đồng hồ đo nhiệt độ hiện số. 3) Khóa van nguồn nước. 4) Khóa và mở các van đúng như hiện trạng trước khi làm thí nghiệm. 4. 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) 0 33 89 65 88 54,5 0,981 99,1 Vị trí tấm chảy tràn (inch) ½ ¾ 1 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 Trang 10 1½ 31 82 37 87 58,5 0,981 99,1 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị tN= t 1 +t 3 t Vng = 2 , oC t 2 +t 4 2 tC = 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 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 , oC tVtr ≈t Vng , oC t m= Đối lưu nhiệt t S +t Vng 2 , oC t S +t ' C 2 , oC Δt=t Vtr −t N , K GN.103 (kg/s) GC.103 (kg/s) Bảng 4: 0 CPN (J/kg.K) 4178  (W/mK) 0,6458 3  (kg/m ) 988,5 7 2 .10 (m /s) 5,652 .104 (1/K) 4,432 4 2 .10 (Ns/m ) 5,588 Pr 3,618 4 2 Vtr.10 (Ns/m ) 3,198 CPC (J/kg.K) 4214,08 C (W/mK) 0,68076 3 C (kg/m ) 962,64 7 2 C.10 (m /s) 3,1308 C.104 (Ns/m2) 3,0132 CPS (J/kg.K) 4219,28 S (W/mK) 0,68182 3 S (kg/m ) 959,012 PrS 1,868 PrVng 1,992 Vị trí tấm chảy tràn (inch) ½ ¾ 1 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 0,67788 0,67912 0,68016 968,728 966,752 964,74 3,4868 3,3568 3,2328 3,3196 3,2204 3,1212 4219,28 4219,28 4219,28 0,68182 0,68182 0,68182 959,012 959,012 959,012 1,868 1,868 1,868 2,535 2,343 2,15 1½ 4178 0,6242 994,34 7,394 3,522 7,378 5,004 3,334 4210,88 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 Các thông số vật lý Nước chảy trong ống Nước ngưng tụ Hơi nước bão hòa 2264 Bảng 5: Trang 11 2264 2264 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt Nhiệt lượng, tổn thất nhiệt Q1 (W) Q2 (W) Q (W) Q (%) 0 797,3563 718,7954 -78,5609 -9,8527 Vị trí tấm chảy tràn (inch) ½ ¾ 1 466,2824 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 trí tấm chảy tràn (inch) 0 ½ ¾ 1 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 (N)TT hay (13) (12), 430,94 464,27 520,59 551,98 616,98 (tr)TT, W/m2.K (N)TN hay (13) (6) 763,30 542,51 450,25 331,27 373,28 (tr)TN, W/m2.K (C) TT, W/m2.K (16) (C) TN, W/m2.K (7) 7164,9 2239,6 5456,6 624,2 5833,5 925,8 6351,4 1360,7 6576,7 2220,2 (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 Các đại lượng Trao đổi nhiệt phía nước chảy trong ống Trao đổi Công nhiệt phía nước ngưng tụ Truyền nhiệt tổng quát Trang 12 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị NuN Đối lưu nhiệt Đồ thị 1: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI QUAN HỆ CỦA NuN THEO Re 14 13 12 11 10 9 900 KTT 1200 1500 1800 2100 2400 2700 Đồ thị 2: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI QUAN HỆ CỦA Ktt THEO Re 2 (W/m .K) Trang 13 Re Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt 600 550 500 450 400 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 Re Đồ thị 3: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH GIỮA (N)TN VÀ (N)TT (N)TN (W/m2.K) Trang 14 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt 800 700 (N)TN = (N)TT 600 500 400 300 400 (N)TT 450 500 550 600 650 2 700 (W/m .K) Đồ thị 4: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH GIỮA (C)TN VÀ (C)TT (C)TN 8000 (W/m2.K) 7000 (C)TN = (C)TT 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 5400 5600 5800 6000 6200 6400 Trang 15 6600 6800 7000 7200 (C)TT (W/m2.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) 700 600 KTN = KTT 500 400 300 200 400 5. KTT 450 500 550 600 (W/m2.K) BÀN LUẬN : Câu 1: Giải thích tại sao khi thí nghiệm với tấm chảy tràn ở mức “0” mà nước trong ống vẫn chảy ra. Mức “0, ¼, ½, ¾, 1, 1 ¼,1 ½” là khoảng cách tính theo inch của mực nước trong bình chảy tràn so với vị trí cao nhất trong ống dẫn nước lạnh trong bình trao đổi nhiệt. Trước khi thí nghiệm, nếu tấm chảy tràn để ở vị trí “0” và cấp đủ nước cho bình chảy tràn thì nước không chảy trong ống đứng và thoát ra ngoài vì lúc đó mực nước trong bình chảy tràn bằng với vị trí cao nhất trong ống  P = 0  nước không thể chảy do không có sự chênh lệch về áp suất. Khi tiến hành thí nghiêm với tấm chảy tràn ở vị trí “0” thì nước trong ống đứng có chảy ra vì khi đó ta dùng hơi nước để cấp nhiệt làm cho dòng lạnh bị nóng lên khi đi vào buồng thí nghiệm có sự đối lưu nhiệt tự nhiên. Đó chính là hiện tượng chuyển Trang 16 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt động của lưu chất khi có sự chênh lệch về mật độ (khối lượng riêng) giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau. Câu 2: Nhận xét về mức độ tổn thất nhiệt. Mức độ tổn thất nhiệt trong bài thí nghiệm này là: Mức độ tổn thất nhiệt Q (%) 0 -9,8527 Vị trí tấm chảy tràn (inch) ½ ¾ 1 15,9234 33,0162 66,1028 1½ 96,8813 Đồ thị 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 Vị trí tấấm chảy tràn 10 “0” “½” “¾” “1” “1 ½” -10 Ta nhận thấy rằng khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì mức độ tổn thất nhiệt càng tăng. Và mức độ tổn thất nhiệt đạt giá trị cao nhất Q = 96,8813% khi tấm chảy tràn ở vị trí “1½”. Đây là một mức độ tổn thất rất lớn, làm tiêu hao nhiều năng lượng của quá trình. Trang 17 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt Khi tấm chảy tràn ở vị trí “0” (xảy ra hiện tượng đối lưu tự nhiên) thì Q = -9,8527% < 0. Đây là một giá trị không hợp lý vì nhiệt lượng tỏa ra khi hơi nước ngưng tụ không thể nhỏ hơn nhiệt lượng dòng lạnh nhận được. Nguyên nhân của sự không hợp lý này là do sai số trong quá trình thí nghiệm. Tuy nhiên, ta có thể kết luận rằng mất mát nhiệt khi tấm chảy tràn ở vị trí “0” là nhỏ nhất, có giá trị rất bé và có thể coi gần đúng là không có mất mát nhiệt. Đó là bởi vì khi tấm chảy tràn ở vị trí “0”, có nghĩa là chênh lệch về cột áp bằng 0, dòng nước lạnh muốn chuyển động qua buồng thí nghiệm thì bắt buộc phải hấp thu nhiệt của dòng hơi để xảy ra hiện tượng đối lưu tự nhiên. Cho nên, lượng nhiệt mà dòng lạnh cần là rất lớn  hiệu quả trao đổi nhiệt cao nhất  mức độ tổn thất nhiệt là ít nhất. Khi tấm chảy tràn ở vị trí càng cao thì chênh lệch cột áp càng lớn. Dòng lạnh tự nó đã có đủ năng lượng để chuyển động qua buồng trao đổi nhiệt, cho nên hiệu quả trao đổi nhiệt thấp hơn  mức độ tổn thất nhiệt càng nhiều. Sự mất mát nhiệt nhiều ở 3 vị trí tấm chảy tràn cuối cùng không chỉ vì lý do trên mà còn do sai số trong quá trình thí nghiệm. Câu 3: Nhận xét và giải thích về ảnh hưởng của vị trí tấm chảy tràn lên các hệ số tr, ng và K. Hệ số 2 (N)TT, W/m .K (N)TN, W/m2.K (C)TT, W/m2.K (C)TN, W/m2.K KTT, W/m2.K KTN, W/m2.K 0 430,94 763,30 7164,9 2239,6 406,49 623,62 Vị trí tấm chảy tràn (inch) ½ ¾ 1 464,27 520,59 551,98 542,51 450,25 331,27 5456,6 5833,5 6351,4 624,2 925,8 1360,7 427,86 477,94 507,84 289,50 288,20 245,06 Đồ thị 7: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ĐẾN N N (W/m2.K) Trang 18 1½ 616,98 373,28 6576,7 2220,2 564,06 289,77 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt 800 700 600 (N)TT 500 (N)TN 400 300 “0” “½” “¾” “1” “1 ½” Vị trí tấấm chảy tràn Khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì (N)TT càng tăng vì: - Tấm chảy tràn càng cao thì chênh lệch về cột áp càng lớn  lưu lượng dòng lạnh càng tăng  vận tốc dòng lạnh càng tăng  Re càng tăng. - Tấm chảy tràn càng cao thì hiệu quả truyền nhiệt càng thấp  nhiệt độ trung bình của dòng lạnh càng giảm  Pr và  càng tăng.  Nu càng tăng (công thức (13))  (N)TT càng tăng. Khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì (N)TN nhìn chung càng giảm vì: ngoại trừ vị trí tấm chảy tràn đầu tiên (đối lưu tự nhiên) thì ở các vị trí tấm chảy tràn cao hơn (đối lưu cưỡng bức), nhiệt lượng mà dòng lạnh nhận được thay đổi không đáng kể, còn Δt=t Vtr −t N thì càng tăng (do hiệu quả truyền nhiệt giảm) nên theo công thức (6)  tr càng giảm. Đây là giá trị khó có thể giải thích một cách chính xác do được tính toán dựa trên giả thiết không có mất mát nhiệt, nhưng những số liệu trong công thức thì lại được lấy từ kết quả thí nghiệm (có sự mất mát nhiệt xảy ra). Đồ thị 8: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG C CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ĐẾN C (W/m2.K) Trang 19 Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Đối lưu nhiệt 4000 (C)TT 2000 (C)TN 0 “0” “½” “¾” “1” “1 ½” Vị trí tấấm chảy tràn Ngoại trừ vị trí tấm chảy tràn đầu tiên (đối lưu tự nhiên) thì ở các vị trí tấm chảy tràn cao hơn (đối lưu cưỡng bức): khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì C càng tăng. Do nhiệt lượng mà dòng nóng tỏa ra càng tăng và tVng cũng tăng nên theo công thức (7)  ng tăng. Đồ thị 9: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ĐẾN K K 700 (W/m2.K) 600 KTT 500 400 KTN 300 200 “0” “½” “¾” Trang 20 “1” “1 ½” Vị trí tấấm chảy tràn