Bài giảng truyền nhiệt ống lồng ống

TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG MỤC ĐÍCH Làm quen với thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt giữa hai dịng lạnh, nĩng ngăn cách bởi vách ngăn kim loại ở chế độ chảy khác nhau Thiết lập cân bằng nhiệt lượng. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Quá trình truyền nhiệt trong thiết bị dạng ống lồng ống là một ví dụ của sự truyền nhiệt phức tạp. Ở đây diễn ra sự trao đổi nhiệt giữa hai lưu chất được ngăn cách bởi vách ngăn kim loại, bao gồm truyền nhiệt đối lưu từ dịng nĩng đến vách, dẫn nhiệt qua thành ống kim loại và đối lưu nhiệt giữa dịng lạnh với ống. Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho hai dịng lưu chất Q = G1C1(tV1-tR1) = G2C2(tR2-tV2), W (1) Trong đĩ: G1, G2: Lưu lượng dịng nĩng và lạnh, kg/s. C1, C2: Nhiệt dung riêng trung bình của dịng nĩng và dịng lạnh, J/kg.K tV1, tR1: Nhiệt độ vào và ra của dịng nĩng, °C tV2, tR2: Nhiệt độ vào và ra của dịng lạnh, °C Phương trình biểu diễn quá trình truyền nhiệt Q = K1.Δtlog.L, W (2) L: Chiều dài ống, m K1: Hệ số truyền nhiệt dài,W/m. °C Δtlog: Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit, °C Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit Δtlog = (3) Trong đĩ: Δtlon: Hệ số nhiệt độ giữa dịng nĩng và dịng lạnh ở đầu vào hoặc ra cĩ giá trị lớn Δtnho: Hệ số nhiệt độ giữa dịng nĩng và dịng lạnh ở đầu vào hoặc ra cĩ giá trị bé. Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết, K1* tính trên 1m chiều dài ống K1* = Trong đĩ: dng, dtr : đường kính ngồi và trong của ống truyền nhiệt, m. λ : hệ số dẫn nhiệt của ống, W/m. °C α1, α2 : hệ số cấp nhiệt, W/m. °C rcau : nhiệt trở của lớp cáu, m2.s0.C/J dcau : đường kính lớp cáu, m Hệ số cấp nhiệt α1, α2 giữa vách ngăn và dịng lưu chất Nu =A.Rem Prn (5) Các hệ số A, m, n, ε1, εR là các hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào các yếu tố sau: Các chế độ chảy của dịng lưu chất Sự tương quan giữu dịng chảy và bề mặt truyền nhiệt Đặc trưng bề mặt truyền nhiệt ( độ nhám, hình dạng, …) THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Hệ thống thiết bị thí nghiệm cĩ hai kiểu kết cấu bề mặt truyền nhiệt như sau: Kiểu A: Loại ống lồng ống mà lưu chất chảy ngang mặt ngồi của ống trong. Hai dịng chảy cĩ phương vuơng gĩc với nhau. Kiểu B (B1, B2): Loại ống lồng ống đơn giản, lưu chất chảy dọc bề mặt ngồi của ống trong. Hai dịng chảy cĩ phương song song với nhau. Kích thước ống: Kiểu ống Đường kính (mm) Chiều dài (mm) Ống trong Ống ngồi A 17/21 30/24 1020 B 17/21 30/24 1020 Sơ đồ hệ thống thiết bị (xem hình): Chú thích: → : Ký hiệu dịng nĩng vào và ra. −> : Ký hiệu dịng lạnh vào và ra. A : Bộ trao đổi nhiệt dạng dịng chảy vuơng gĩc. B1 : Bộ trao đổi nhiệt dạng dịng chảy song song ngược chiều. B2 : Bộ trao đổi nhiệt dạng dịng chảy song song cùng chiều. 1A, 1B, 1C : Lần lượt là van cấp nước tổng, van cấp nước cho dịng lạnh, van cấp nước cho bồn gia nhiệt. 2, 3 : Van chỉnh lưu lượng dịng nĩng. 4, 5, 6 : Van đĩng mở dịng nĩng vào các bộ trao đổi nhiệt. 7 : Van chỉnh lưu lượng dịng lạnh. 8, 9, 10 : Van đĩng mở dịng lạnh vào các bộ trao đổi nhiệt. 11 : Van xả đáy bồn. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Sau khi chuẩn bị và làm quen với thiết bị ta đo các đại lượng: lưu lượng dịng nĩng và dịng lạnh, nhiệt độ vào và ra của các dịng . Trình tự thí nghiệm: Lưu ý : Các van 1A, 1B khi mở chỉ mở 30° - 45°. Khi mở hoặc đĩng bất kỳ một van nào sinh viên đều phải xoay thật từ từ, tuyệt đối khơng được đĩng mở đột ngột. Trước khi thí nghiệm tất cả các van đều ở vị trí đĩng. Mở van 1A thật từ từ (chỉ xoay một gĩc khoảng 30°). Đĩng van 11. Từ từ mở van 1C cho nước vào đầy bồn chứa, sau đĩ khĩa van và đậy nắp bồn chứa lại. Mở cầu dao nguồn, bật cơng tắc GUỒN trên hộp điều khiển lên. Bật cơng tắc GIA NHIỆT lên. Đèn hoạt động màu đỏ sang. Cụm gia nhiệt hoạt động. Sau khi nước trong bồn gia nhiệt sơi ( khoảng từ 30-60 phút), cơng tắc gia nhiệt tự động ngắt, lúc đĩ bắt đầu làm thí nghiệm. Mở van 3, bấm nút chạy của BƠM (màu xanh), đèn hoạt động của bơm (màu đỏ) sáng. Mơm ly tâm hoạt động và bơm nước tuần hồn. Chờ cho hệ thống ổn định, mở một trong các cặp van tương ứng: 4/8, 5/9, 6/10. Điều chỉnh cặp van 2, 3 để điều chỉnh lưu lượng dịng nĩng và chỉnh van 7 để điều chỉnh lưu lượng dịng lạnh theo yêu cầu. Chỉ số lưu lượng được đọc trên lưu lượng kế. Chờ khoảng 5-10 phút, khi quá trình đã ổn định, ấn và giữ một nút (màu vàng) cần thiết trong bốn nút trên hộp điều khiển để cĩ nhiệt độ tại vị trí tương ứng. Sau khi đo xong tất cả các thơng số cần thiết, tắt cơng tắc GIA NHIỆT, tiếp theo tắt BƠM, tắt cơng tắc nguồn CB. Mở nắp bồn gia nhiệt cho nước nguội bớt. Khĩa tất cả các van lại. Đợi khi nước đã nguội rồi mở van 11 để xả hết nước trong bồn chứa gia nhiệt. Kết quả thí nghiệm: Bộ trao đổi nhiệt A: Lần Lưu lượng Nĩng Lạnh t◦v t◦r t◦v t◦r 1 4 62.8 60.2 29.7 36 6 69.7 62.2 29.8 35.5 8 76.8 64.9 29.9 35.5 2 4 83.2 73.5 30.3 39.3 6 83.7 75 30.3 38.3 8 83.5 75.8 30.3 37.4 3 4 83 75 30.2 37.2 6 83.1 74 30.3 37.5 8 83.2 74.7 30.1 37.5 Ta cĩ bảng giá trị trung bình đối với bộ trao đổi nhiệt A: G1 G2 Nĩng Lạnh t◦v t◦r t◦v t◦r 4 4 76.33 69,56 30.06 37.5 6 6 78.83 70.4 30.13 37 8 8 81.166 71.8 30.1 36.8 Bộ trao đổi nhiệt B1: ngược chiều Lần Lưu lượng Nĩng Lạnh t◦v t◦r t◦v t◦r 1 4 86.7 72.5 30.1 38.9 6 82.2 72.9 30.3 38.1 8 83.9 75.5 30.2 37.6 2 4 83.1 74.5 30.3 39.7 6 83.2 74.5 30.3 35.5 8 83.1 75.1 30.4 38 3 4 83.1 75 30.3 37.7 6 83 74.7 30.1 35.4 8 83 75.5 30.2 37.5 Ta cĩ bảng giá trị trung bình 3 lần đo đối với bộ trao đổi nhiệt B1: G1 G2 Nĩng Lạnh t◦v t◦r t◦v t◦r 4 4 84.3 74 30.23 38.76 6 6 82.8 74.03 30.23 36.33 8 8 83.33 75.36 30.266 37.7 Bộ trao đổi nhiệt B2: cùng chiều Lần Lưu lượng Nĩng Lạnh t◦v t◦r t◦v t◦r 1 4 83 74.6 30.2 38.9 6 83.7 75.5 30.3 38 8 83.7 76.1 30.3 37.6 2 4 82.7 74 30.4 38.6 6 83 75 30.4 38.4 8 83.1 75.4 30.4 37.7 3 4 83 74.1 30.3 30.8 6 83 75 30.5 37.5 8 83.2 75.5 30.1 38 Ta cĩ bảng giá trị trung bình 3 lần đo của bộ trao đổi nhiệt B2: G1 G2 Nĩng Lạnh t◦v t◦r t◦v t◦r 4 4 82.9 74.23 30.3 36.1 6 6 82.23 75.16 30.4 37.96 8 8 83.33 75.66 30.26 37.76 Tính tốn: Nhiệt lượng Q Q = G1C1(tV1-tR1) = G2C2(tR2-tV2), W Đối với dịng nĩng của 3 thiết bị A, B1 và B2: Thiết bị G1 tv1 tv2 Cp (j/kg.độ) Q1 (w) A 4 76.33 69,56 4203.4 113828 6 78.83 70.4 4203.5 212613 8 81.166 71.8 4203.5 103103 B1 4 84.3 74 4203.5 173184 6 82.8 74.03 4203.5 221188 8 83.33 75.36 4203.5 268015 B2 4 82.9 74.23 4203.5 145777 6 82.23 75.16 4203.5 178312 8 83.33 75.66 4203.5 257926 Đối với dịng lạnh của 3 thiết bị A, B1 và B2: Thiết bị G2 tr1 tr2 Cp (j/kg.độ) Q2 (w) A 4 30.06 37.5 4178.4 124349 6 30.13 37 4178.4 167971 8 30.1 36.8 4178.4 223962 B1 4 30.23 38.76 4178.4 142567 6 30.23 36.33 4178.4 152929 8 30.266 37.7 4178.4 248497 B2 4 30.3 36.1 4178.4 96939 6 30.4 37.96 4178.4 189532 8 30.26 37.76 4178.4 250704 Ta cĩ tổn thất nhiệt: Thiết bị Q1 (w) Q2 (w) ∆Q ( W) | Q2 - Q1 | A 113828 124349 10521 212613 167971 44642 103103 223962 120859 B1 173184 142567 30617 221188 152929 68259 268015 248497 19518 B2 145777 96939 48838 178312 189532 11220 257926 250704 7222 Tính Dtlog, K Thiết bị t◦v1 t◦r1 t◦v2 t◦r2 Dtlog K1 A 76.33 69,56 30.06 37.5 41.597 1825.08 78.83 70.4 30.13 37 41.045 3423.03 81.166 71.8 30.1 36.8 43.019 1597.79 B1 84.3 74 30.23 38.76 43.985 2624.89 82.8 74.03 30.23 36.33 44,723 3297.15 83.33 75.36 30.266 37.7 44.922 3977.48 B2 82.9 74.23 30.3 36.1 45.349 2143.03 82.23 75.16 30.4 37.96 44.514 2670.5 83.33 75.66 30.26 37.76 33.597 5118.03 Δtlog = Q = K1.Δtlog.L, W từ đây => K với L= 1020 mm Tính hệ số cấp nhiệt α1 và α2 Tính chế độ chảy của lưu chất bằng chuẩn số Re: Ta cĩ bảng số liệu: Thiết bị t1tb (oC) t2tb (oC) m1.103 (Ns/m2) m2.103 (Ns/m2) l1 (w/mK) l2 (w/mK) A 76.33 30.06 0.3574 0.7089 0.672 0.613 78.83 30.13 0.3543 0.7016 0.675 0.628 81.166 30.1 0.3609 0.6947 0.677 0.629 B1 84.3 30.23 0.3609 0.6685 0.677 0.632 82.8 30.23 0.3436 0.7085 0.676 0.627 83.33 30.266 0.3416 0.7016 0.677 0.628 B2 82.9 30.3 0.3436 0.7085 0.676 0.627 82.23 30.4 0.3521 0.6814 0.675 0.631 83.33 30.26 0.3416 0.7016 0.677 0.628 Bảng Re Thiết bị m1.103 (Ns/m2) d1(m) w1 Re1 m2.103 (Ns/m2) d2(m) w2 Re2 A 0.3574 0.017 299.5 56.98 0.7089 0.017 299.5 28.73 0.3543 0.017 449.4 86.19 0.7016 0.017 449.4 43.53 0.3609 0.017 599.1 112.88 0.6947 0.017 599.1 58.64 B1 0.3609 0.017 299.5 56.43 0.6685 0.017 299.5 30.46 0.3436 0.017 449.4 88.88 0.7085 0.017 449.4 43.10 0.3416 0.017 599.1 119.26 0.7016 0.017 599.1 58.06 B2 0.3436 0.017 299.5 59.27 0.7085 0.017 299.5 28.74 0.3521 0.017 449.4 86.73 0.6814 0.017 449.4 44.82 0.3416 0.017 599.1 119.26 0.7016 0.017 599.1 58.06 Với l = dtd=4d=0.068 m Xác định chuẩn số Nu cho phương chảy ngang kiểu A: Do : 5 < Re < 103 Nên : Với : ν : hệ số nhớt động học của lưu chất, m2/s α : hệ số dẫn nhiệt của lưu chất, m2/s. Thiết bị t◦v1 t◦r1 t◦v2 t◦r2 α1 α2 A 76.33 69,56 30.06 37.5 57.82 53.1 78.83 70.4 30.13 37 57.89 53.1 81.166 71.8 30.1 36.8 58.11 53.1 B1 84.3 74 30.23 38.76 58.25 53.1 82.8 74.03 30.23 36.33 58.17 53.1 83.33 75.36 30.266 37.7 58.21 53.1 B2 82.9 74.23 30.3 36.1 58.20 53.1 82.23 75.16 30.4 37.96 58.20 53.1 83.33 75.66 30.26 37.76 58.21 53.1 Ta cĩ bảng giá trị: Thiết bị Re1 Pr1 Prt1 Nu Re2 Pr2 Prt2 Nu A 56.98 1.88 5.400 3.68 28.73 4.050 5.400 4.24 86.19 1.88 5.400 4.53 43.53 4.450 5.400 5.54 112.88 1.89 5.400 5.20 58.64 4.700 5.400 6.66 Xác định chuẩn số Nu cho phương thức chảy dọc theo than ống kiểu B Thiết bị Re1 Pr1 Prt1 Nu Re2 Pr2 Prt2 Nu B1 56.43 1.92 5.400 3.72 30.46 4.930 5.400 4.94 88.88 1.9 5.400 4.63 43.10 4.400 5.400 5.47 119.26 1.9 5.400 5.36 58.06 4.500 5.400 6.45 B2 59.27 1.91 5.400 3.79 28.74 4.700 5.400 4.66 86.73 1.93 5.400 4.62 44.82 4.850 5.400 5.94 119.26 1.9 5.400 5.36 58.06 4.400 5.400 5.47 Thiết bị t◦v1 t◦r1 t◦v2 t◦r2 ∆t1 ∆t2 A 76.33 69,56 30.06 37.5 38.83 39.5 78.83 70.4 30.13 37 41.83 40.27 81.166 71.8 30.1 36.8 44.366 41.69 B1 84.3 74 30.23 38.76 45,54 43.77 82.8 74.03 30.23 36.33 46.47 43.8 83.33 75.36 30.266 37.7 45.63 45.094 B2 82.9 74.23 30.3 36.1 52.6 38.13 82.23 75.16 30.4 37.96 51.83 37.2 83.33 75.66 30.26 37.76 53.07 37.9 Tính sai số: Thiết bị ∆t1* ∆t2* Pr1 Prt1 α1 α2 Nu1 Nu2 A 15.77 29.62 2.53 2.6 5.397 6.101 0.0108 0.0150 6.72 35.66 2.28 2.35 5.333 6.903 0.0107 0.0170 10 33.98 2.38 2.44 7.401 3.456 0.0148 0.0084 B1 19.73 22.02 2.73 2.79 7.278 5.232 0.0145 0.0129 7.85 34.62 2.17 2.26 7.157 6.196 0.0143 0.0152 10.9 32.59 2.32 2.48 7.064 6.971 0.0141 0.0172 B2 8.07 30.88 2.46 2.52 8.339 3.479 0.0166 0.0085 10.23 30.77 2.59 2.66 7.797 5.285 0.0155 0.0129 12.26 30.21 2.1 2.2 8.032 6.213 0.0160 0.0156 Hệ số truyền dài lý thuyết : K1* = Thiết bị dn dtr α1 α2 Kl* A 34 21 57.82 53.1 3.653 34 21 57.89 53.1 3.635 34 21 58.11 53.1 3.662 B1 34 21 58.25 53.1 3.667 34 21 58.17 53.1 3.669 34 21 58.21 53.1 3.666 B2 34 21 58.20 53.1 3.665 34 21 58.20 53.1 3.665 34 21 58.21 53.1 3.666 Lâp bảng tính K1* và K1 theo Re Thiết bị Re Kl* K1 A 56.98 3653 1825.08 86.19 3635 3423.03 112.88 3662 1597.79 B1 56.43 3667 2624.89 88.88 3669 3297.15 119.26 3666 3977.48 B2 59.27 3665 2143.03 86.73 3665 2670.5 119.26 3666 5118.03 Vẽ đồ thị K1* và K1 theo Re Theo hệ thống A: Đối với hệ thống B1: Đối với hệ thống B2: Bàn luận: Tổn thất nhiệt cĩ đáng kể khơng tại sao: Tổn thất nhiệt là đáng kể thể hiện ở việc nhiệt lượng mất đi của dịng nĩng lớn hơn nhiều so với nhiệt nhận vào của dịng lạnh. Nguyên nhân: Nhiệt lượng truyền cho ống làm ống nĩng lên. Tại những vị trí dịng nĩng chảy khơng cĩ dịng lạnh bao quanh cĩ tổn thất do quá trình truyền nhiệt từ dịng nĩng qua ống đến mơi trường xung quanh do khơng cĩ bọc lớp cách nhiệt. Trên đường ống do lâu ngày cĩ đĩng cặn bẩn cũng gĩp phần làm tổn hao nhiệt lượng. Tổn thất nhiệt qua các van do van bị rị rỉ sau một thời gian sử dụng. Sai số khi đọc nhiệt độ trong quá trình thí nghiệm làm kết quả tính tốn khơng chính xác. Sự mất mát nhiệt dọc chiều dài ống. Đường đi càng dài lượng nhiệt tổn thất càng nhiều. Đường ống làm bằng đồng khơng bọc lớp cách nhiệt nên sự tổn hao nhiệt ra mơi trường xung quanh cũng nhiều hơn so với những vật liệu khác. Ở đây, sự mất mát nhiệt ở dịng lạnh khơng đáng kể. Vì tuy cĩ sự truyền nhiệt nhưng nhiệt độ dịng lạnh tăng khơng đáng kể nên chênh lệch nhiệt độ với ống cũng khơng đáng kể cĩ thể bỏ qua. Mức độ sai số, nguyên nhân gây ra sai số trong lúc làm thí nghiệm? biện pháp khắc phục: Nguyên nhân gây ra sai số trong quá trình thí nghiệm: Sai số do xác định lưu lượng dịng nĩng và lạnh: lưu lượng dịng nĩng và dịng lạnh dù đã được điều chỉnh cũng khơng đạt được trạng thái ổn định tuyệt đối, cĩ lẫn nhiều bọt khí. Sai số do quá trình đọc nhiệt độ: đọc nhiệt độ khơng cùng thời điểm (chưa cĩ sự cân bằng nhiệt lượng), nhiệt độ khơng ổn định. Bơm lưu chất hoạt động khơng ổn định (do điện khơng ổn định). Sai số do sự rị rỉ lưu lượng chất lỏng trong hệ thống ống: tại những vị trí ống nối, van... khơng kín chảy nước ra ngồi làm giảm lưu lượng. Sai số do các ống khơng được bọc lớp cách nhiệt gây thất thốt nhiệt do sự trao đổi nhiệt giữa ống với mơi trường bên ngồi. Sai số khi chỉnh van II thay đổi chiều dịng chảy để đo lưu lượng: chỉnh van khơng hợp với ống gĩc 450, dịng chảy khơng được đổi hướng hồn tồn, một phần dịng nĩng sẽ hịa trộn với dịng lạnh gay tổn thất nhiệt. Sai số do nước thí nghiệm khơng là nước tinh khiết nhưng các thơng số được dùng trong tính tốn là của nước tinh khiết. Sai số hệ thống do dụng cụ đo khơng chính xác. Bỏ qua ảnh hưởng của lớp bẩn trên thành ống. Ảnh hưởng của sai số đến sự khác biệt giữa kết quả thực nghiệm và lý thuyết: Dẫn đến sai số dây chuyền trong quá trình tính tốn. Từ nhiệt độ đọc ta suy ra Dtlog. Do cĩ sai số dẫn đến Kl, Q sai do: Kl = Q = G.C.Dt Nhiệt độ đọc sai --> tra hệ số l sai --> tính a sai --> sai hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết Kl*. Đồng thời khi tra khối lượng riêng khơng chính xác dẫn đến sai số khi tính Re làm mất tính chính xác của giản đồ. Biện pháp khắc phục: Thao tác thí nghiệm phải chính xác, chỉnh van II phải đúng và lúc chỉnh phải ấn vào để nước khơng rị rỉ ra ngồi. Cĩ thể tiến hành thử nhiều lần cho thuần thục trước khi thí nghiệm chính thức. Để đồng hồ đo nhiệt độ, lưu lượng kế đã ổn định mới đọc, đọc chính xác số liệu bằng cách đọc giá trị trung bình trên đồng hồ đo. Nước dùng trong quá trình thí nghiệm càng sạch càng tốt. Kiểm tra vị trí các van trước khi làm thí nghiệm. Thường xuyên vệ sinh đường ống. Tiến hành thí nghiệm lặp lại nhiều lần đề tìm ra giá trị chính xác nhất với sai số nhỏ nhất. So sánh hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm Kl với hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết Kl*: Ở đây Kl và Kl* khơng giống nhau. Nguyên nhân: Bỏ qua giá trị : khơng xác định được bề dày của lớp cáu (bẩn) và những ảnh hưởng của nĩ đối với quá trình truyền nhiệt (bỏ qua K sẽ lớn). Xác định hệ số dẫn nhiệt λ cho ống bằng đồng đỏ nguyên chất nhưng thực tế nguyên liệu làm ống dẫn khơng nguyên chất. Các giá trị α xác định được luơn mắc phải sai số do tính tốn nhiệt độ vách, nhiệt độ lưu chất để xác định các chuẩn số Nu, Pr... Nhiệt lượng tổn thất vẫn chưa bù nổi sai số trong quá trình làm thí nghiệm. Ở đây quá trình truyền nhiệt là phức tạp nhưng khi tính tốn chỉ kể đến những ảnh hưởng chính chẳng hạn bỏ qua sự đối lưu tự nhiên trong dịng chảy màng ở ống B dẫn đến sai số cao...