TRÍCH YẾU :
Mục đích thí nghiệm:
Giúp sinh viên củng cố kiến thức về sự truyền nhiệt đối lưu.
Giúp sinh viên làm quen với cấu tạo, nguyên lý hoạt động của thiết bò và
phương pháp thí nghiệm về sự trao đổi nhiệt đối lưu.
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.
So sánh hệ số cấp nhiệt và hệ số truyền nhiệt lý thuyết với hệ số cấp nhiệt
và truyền nhiệt thực nghiệm.
Thiết lập cân bằng nhiệt lượng trong quá trình trao đổi nhiệt đối lưu.
Phương pháp thí nghiệm:
Chuẩn bò dụng cụ và điều kiện thí nghiệm → chuẩn bò cấp nước lạnh →
chuẩn bò cấp hơi nước → khi quá trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn đònh 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 vò trí tấm chảy tràn) → kết
thúc thí nghiệm.
Kết quả thí nghiệm:
Bảng 1:
STT Các đại lượng đo
Vò trí tấm chảy tràn (inch)
0 ½ ¾ 1 1½
1 t
1
(
o
C) 33 32 32 32 31
2 t
2
(
o

C
(
o
C) 54,5 38,5 42,5 52 58,5
12 Lượng nước chảy trong ống (ml) 362 562 765 850 1200
13 Thời gian đo nước chảy trong ống (s) 60 60 60 60 60
Trang 1
Các đại lượng đo
Vò trí tấm chảy tràn (inch)
0 1/4 ½ ¾ 1 1 1/4
t
1
(
o
C) 38 38 38 38 38 38
t
2
(
o
C) 111 107 109 112 95 80
t
3
(
o
C) 85 67 70 74 47 43
t
4
(
o
C) 109 104 104 108 88 88

Sự ngưng tụ hơi nước ở thiết bò 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 cưỡng
bức.
Sơ đồ cơ chế truyền nhiệt đối lưu được biểu
diễn ở hình 1.
δ
V
, δ
C
: bề dày thành ống và bề dày màng nước
ngưng tụ, m.
d
tr
, d
ng
: đường kính trong và ngoài ống, m.
Trang 2
tr
d
F
tr
F
ng
N
t
ngC

C.
t
N
: nhiệt độ trung bình của nước trong ống,
o
C.
t
Vtr
, t
Vng
:nhiệt độ trung bình của vách trong và vách ngoài ống,
o
C.
α
C
= α
ng
:hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ (phía lưu chất bên ngoài),
W/m
2
.K
α
N
= α
tr
:hệ số cấp nhiệt phía nước lạnh (phía lưu chất trong ống), W/m
2
.K
q: mật độ dòng nhiệt truyền qua vách, W/m
2

1
= Q
2
= G
N
C
PN
(t
3
– t
1
) = G
C
[r + C
PC
(t
S
-
C
t
)] (3)
Trong đó:
• G
N
, G
C
: lưu lượng khối của dòng nước trong ống và dòng nước ngưng
tụ, kg/s
• t
1

nhiệt độ nước ngưng tụ chảy ra (trong thực tế t’
C
là nhiệt độ quá
lạnh của nước ngưng tụ),
o
C
• C
PN
: nhiệt dung riêng của nước chảy trong ống, xác đònh ở nhiệt độ
trung bình của nước, J/kg.K
2
tt
t
31
N
+
=
,
o
C (5)
• C
PC
: nhiệt dung riêng của nước sau khi ngưng tụ ở nhiệt độ
C
t
,
J/kg.K
• r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở nhiệt độ t
S
, J/kg

=α⇒
, W/m
2
.K (6)
Q’
2
= q
ng
F
ng
= α
ng
(t
S
- t
Vng
)F
ng
, W
ngVngS
2
ng
F)tt(
'Q
−
=α⇒
, W/m
2
.K (7)
Theo lý thuyết:

•
VngVtr
t,t
: nhiệt độ trung bình tại vách trong và vách ngoài ống truyền
nhiệt,
o
C
• t
2
, t
4
: nhiệt độ tại thành ngoài ở đầu vào (đầu dưới) và đầu ra (đầu
trên) của ống,
o
C
Hệ số truyền nhiệt tổng quát:
logtr
tF
Q
K
∆
=
, W/m
2
.K (9)
• Q : nhiệt lượng tính theo công thức (1)
)tt(
)tt(
ln
)tt()tt(

:
5,2
Re
Gr
≤ 10
-3
10
-3
<
5,2
Re
Gr
≤ 10
-2
5,2
Re
Gr
≥ 10
-2
5,2
Re
Gr
Ở đây:
ρνπ
=
ν
=
tr
Ntr
d














×−−×=
75,0
tr
tr
Pr.Gr
1
d
H
16exp1
H
d
32
Pr.Gr
Nu
(12)
Trong đó:
)bảngtra(

+
=
,
o
C
Trường hợp đối lưu cưỡng bức:
Trang 5
10
-3
10
-2
Dòng lưu chất đối
lưu cưỡng bức
Vùng hỗn hợp 2
dòng đối lưu
Dòng lưu chất đối
lưu tự nhiên
* Ở chế độ chảy màng (Re < 2300) với Re.Pr.
H
d
tr
>10 :
14,0
Vtr
3/1
H
dtr
.Pr.Re86,1Nu



Vtr
.
* Ở chế độ chuyển tiếp (2300 < Re < 10000) với 0,7 < Pr < 120 và
H
d
tr
> 50 :
Nu = 0,023Re
0,8
Pr
1/3
(14)
Nếu bỏ qua ảnh hưởng của lực nâng với dòng chảy ta có thể áp dụng công
thức của Mikhaev để tính Nu
*
:
(Re)f
Pr
Pr
Pr
Nu
M
14,0
Vtr
43,0
*
=











∆µ
λρ
=α
(16)
Ở đây:






+
−=−=∆
2
tt
tttt
42
SVngS
, K
Các thông số vật lý được xác đònh ở nhiệt độ trung bình
2
tt
t

.
gH
943,0
H
Nu












−
ρ
λ
ν
ν
=
λ
α
=
Trang 6
=
25,0
mo







µ
µ
=








µ
µ
=
(18)
Khác với công thức (16) ở đây các thông số vật lý được xác đònh ở nhiệt độ
t
S
. Riêng Pr
Vng
xác đònh ở nhiệt độ trung bình của vách ngoài
2
tt
t

Điều chỉnh tấm chảy tràn ở vò trí mong muốn theo yêu cầu của bài thí
nghiệm.
Mở van V
1
và điều chỉnh để giữ mực nước ổn đònh ở bình chảy tràn.
Chuẩn bò cấp hơi nước :
Khóa các van: S
1
, S
3
, S
5
, V
3
, V
6
, V
8
.
Mở van S
4
xả hết nước ngưng dư rồi khóa lại.
Mở van V
7
.
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.
Đóng van V
7

, t
2
, t
3
, t
4
(đồng hồ hiện số).
p suất trong nồi hơi (áp kế P
2
).
Nhiệt độ của hơi trong nồi hơi (đồng hồ đo nhiệt độ T
2
).
p suất hơi đo bằng đồng hồ đo áp suất P
3
.
Nhiệt độ hơi đi vào buồng ngưng tụ đo bằng đồng hồ đo nhiệt độ T
3
.
* Trong khi đo thường xuyên quan sát mức nước trong bình chảy tràn và mức
nước trong nồi hơi.
Ngừng thí nghiệm để chuyển sang thí nghiệm khác:
Sau khi đo xong, ngắt điện cấp cbo nồi hơi, đóng các van V
6
, V
7
, mở van xả
hơi S
5
. Nạp nước vào bình chứa. Mở van V

0 1/4 ½ ¾ 1 1½
t
1
(
o
C) 38 38 38 38 38 38
t
2
(
o
C) 111 107 109 112 95 80
t
3
(
o
C) 85 67 70 74 47 43
t
4
(
o
C) 109 104 104 108 88 88
t’
1
(
o
C) 113 114 113 113 114 116
t’
2
(
o

tt ≈
,
o
C
110 105.5 106.5 110 91.5 84
2
tt
t
VngS
m
+
=
,
o
C
111.5 108.75 109.75 111.5 102.25 98.5
2
'tt
t
CS
C
+
=
,
o
C
113 113 113 113 113.5 114.5
NVtr
ttt −=∆
, K

) 988,5 992,92 993,46 993,82 994,34
ν.10
7
(m
2
/s) 5,652 6,846 7,038 7,166 7,394
β.10
4
(1/K) 4,432 3,762 3,681 3,627 3,522
µ.10
4
(Ns/m
2
) 5,588 6,806 7,013 7,151 7,378
Pr 3,618 4,546 4,723 4,841 5,004
µ
Vtr
.10
4

(Ns/m
2
) 3,198 3,969 3,711 3,230 3,334
Nước
ngưng tụ
C
PC
(J/kg.K) 4214,08 4202,68 4205,8 4209,28 4210,88
λ
C

(kg/m
3
) 959,012 959,012 959,012 959,012 959,012
Pr
S
1,868 1,868 1,868 1,868 1,868
Pr
Vng
1,992 2,535 2,343 2,15 2,102
Hơi
nước
bão hòa
r
S
.10
-3
(J/kg) 2264 2264 2264 2264 2264
Bảng 5:
Nhiệt lượng,
tổn thất nhiệt
Vò trí tấm chảy tràn (inch)
0 ½ ¾ 1 1½
Q
1
(W) 797,3563 466,2824 476,2901 411,7578 498,5223
Q
2
(W) 718,7954 540,5305 633,5432 683,9414 981,4972
∆Q (W) -78,5609 74,2481 157,2531 272,1835 482,9749
∆Q (%) -9,8527 15,9234 33,0162 66,1028 96,8813

85585
1
83874
1
Nu
N
(12),
(13)
9,209 10,157 11,451 12,153 13,640
(α
N
)
TT
hay
(α
tr
)
TT
,
W/m
2
.K
(12),
(13)
430,94 464,27 520,59 551,98 616,98
(α
N
)
TN
hay

W/m
2
.K
(7) 2239,6 624,2 925,8 1360,7 2220,2
(Nu
C
)
TT
(17) 6420,2 4910,2 5239,8 5696,3 5896,6
Truyền
nhiệt
tổng
quát
Q = Q
1
, W (1) 797,36 466,28 476,29 411,76 498,52
∆T
log
, K (10) 48,348 60,903 62,492 63,536 65,054
K
TT
, W/m
2
.K (19) 406,49 427,86 477,94 507,84 564,06
K
TN
, W/m
2
.K (9) 623,62 289,50 288,20 245,06 289,77
K’

Đồ thò 3: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH GIỮA (α
N
)
TN

VÀ (α
N
)
TT
Trang 12
K
TT
(W/m
2
.K)
300
400
500
600
700
800
400 450 500 550 600 650 700
Đồ thò 4: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH GIỮA (α
C
)
TN

VÀ (α
C
)

= (α
N
)
TT
(α
C
)
TT
(W/m
2
.K)
(α
C
)
TN
(W/m
2
.K)
(α
C
)
TN
= (α
C
)
TT
Đồ thò 5: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN MỐI TƯƠNG QUAN SO SÁNH GIỮA K
TN

VÀ K

TN
(W/m
2
.K)
K
TN
= K
TT
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 (%)
Vò trí tấm chảy tràn (inch)
0 ½ ¾ 1 1½
-9,8527 15,9234 33,0162 66,1028 96,8813
Đồ thò 6: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY
TRÀN ĐẾN MỨC ĐỘ TỔN THẤT NHIỆT
-10
10
30
50
70
90
Ta nhận thấy rằng khi vò trí tấm chảy tràn càng cao thì mức độ tổn thất nhiệt
càng tăng. Và mức độ tổn thất nhiệt đạt giá trò cao nhất ∆Q = 96,8813% khi
tấm chảy tràn ở vò trí “1½”. Đây là một mức độ tổn thất rất lớn, làm tiêu hao
nhiều năng lượng của quá trình.
Khi tấm chảy tràn ở vò trí “0” (xảy ra hiện tượng đối lưu tự nhiên) thì ∆Q =
-9,8527% < 0. Đây là một giá trò không hợp lý vì nhiệt lượng tỏa ra khi hơi
nước ngưng tụ không thể nhỏ hơn nhiệt lượng dòng lạnh nhận được. Nguyên

N
)
TT
, W/m
2
.K 430,94 464,27 520,59 551,98 616,98
(α
N
)
TN
, W/m
2
.K 763,30 542,51 450,25 331,27 373,28
(α
C
)
TT
, W/m
2
.K 7164,9 5456,6 5833,5 6351,4 6576,7
(α
C
)
TN
, W/m
2
.K 2239,6 624,2 925,8 1360,7 2220,2
K
TT
, W/m

bình của dòng lạnh càng giảm → Pr và µ càng tăng.
⇒ Nu càng tăng (công thức (13)) ⇒ (α
N
)
TT
càng tăng.
Khi vò trí tấm chảy tràn càng cao thì (α
N
)
TN
nhìn chung càng giảm vì: ngoại
trừ vò trí tấm chảy tràn đầu tiên (đối lưu tự nhiên) thì ở các vò trí tấm chảy
tràn cao hơn (đối lưu cưỡng bức), nhiệt lượng mà dòng lạnh nhận được thay
đổi không đáng kể, còn
NVtr
ttt −=∆
thì càng tăng (do hiệu quả truyền nhiệt
giảm) nên theo công thức (6) ⇒ α
tr
càng giảm. Đây là giá trò 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 thò 8: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ ẢNH HƯỞNG
CỦA VỊ TRÍ TẤM CHẢY TRÀN ĐẾN α
C
Trang 17
“0” “½” “¾” “1” “1 ½”
Vò trí tấm
chảy tràn

300
400
500
600
700
Khi vò trí tấm chảy tràn càng cao thì K
TT
càng tăng. Do (α
N
)
TT
và (α
C
)
TT
cũng
tăng.
Trang 18
Vò trí tấm
chảy tràn
“0” “½” “¾” “1” “1 ½”
(α
C
)
TT
(α
C
)
TN
Vò trí tấm

)
TT
, và có 2 giá trò (α
N
)
TN
> (α
N
)
TT
,
đó là khi tấm chảy tràn ở vò trí “0” và “½”.
* Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ ngoài ống:
Dựa vào đồ thò 4 ⇒ ở tất cả các vò trí của tấm chảy tràn thì (α
C
)
TN
< (α
C
)
TT
.
* Hệ số truyền nhiệt tổng quát:
Dựa vào đồ thò 5 ⇒ có 4 giá trò K
TN
< K
TT
, chỉ có 1 giá trò K
TN
> K

0 ½ ¾ 1 1½
K
TT
, W/m
2
.K 870,30 427,86 477,94 507,84 564,06
K’
TT
, W/m
2
.K 869,70 427,72 477,76 507,64 563,81
K’
TT
/ K
TT
0,9993 0,9997 0,9996 0,9996 0,9996
Ta nhận thấy rằng: nhiệt trở thành ống sẽ làm giảm hệ số truyền nhiệt tổng
quát (K’
TT
< K
TT
), có nghóa là làm giảm hiệu quả truyền nhiệt. Nhưng sự
Trang 19
giảm này là không đáng kể, được thể hiện qua tỉ số K’
TT
/ K
TT
luôn xấp xỉ
bằng 1. Cho nên trong tính toán người ta thường bỏ qua sự ảnh hưởng này.
Câu 6: Nhận xét về độ tin cậy của kết quả thí nghiệm, ước lượng sai số và

n
1k
2
k
2
x
xx
5
1
xx
n
1
−=−=σ
∑∑
==
= 267691,507 ⇒ σ
x
= 517,389
2
5
1k
2
k
2
n
1k
2
k
2
y

11
σσ
µ
=ρ
= 0,993 ≈ 1
⇒ Quan hệ Nu
N
= f(Re) là quan hệ tuyến tính: y = ax + b
p dụng phương pháp bình phương cực tiểu:



=
=
⇔



=+
=+
⇔







=+
=+

Trang 20
Nu
N
9
10
11
12
13
14
900 1200 1500 1800 2100 2400 2700
x
k
984,9 1262,3 1671,4 1824,0 2495,6
y
k
9,209 10,157 11,451 12,153 13,640
y
k
*
9,355 10,177 11,387 11,839 13,827
∆y
k
= y
k
- y
k
*
-0,147 -0,020 0,063 0,314 -0,187
%100
y

2
k
2
n
1k
2
k
2
x
xx
5
1
xx
n
1
−=−=σ
∑∑
==
= 267691,507 ⇒ σ
x
= 517,389
2
5
1k
2
k
2
n
1k
2

= 28990,735
Hệ số tương quan tuyến tính:
yx
11
σσ
µ
=ρ
= 0,993 ≈ 1
⇒ Quan hệ K
TT
= f(Re) là quan hệ tuyến tính: y = ax + b
p dụng phương pháp bình phương cực tiểu:



=
=
⇔



=+
=+
⇔







TT
400
450
500
550
600
900 1200 1500 1800 2100 2400 2700
x
k
984,9 1262,3 1671,4 1824,0 2495,6
y
k
406,49 427,86 477,94 507,84 564,06
y
k
*
405,050 435,099 479,404 495,925 568,665
∆y
k
1,439 -7,237 -1,466 11,918 -4,602
%100
y
y
*
k
k
×
∆
=γ
0,355%

Giá trò (α
N
)
TT
được tính với điều kiện là chế độ chảy màng, nhưng trong thực
tế thì chế độ chảy của dòng nước lạnh trong ống không hẳn là chảy màng
hoàn toàn mà đôi khi có thể ở chế độ chuyển tiếp. Đó là do đôi khi ta phải
điều chỉnh van cấp nước V
1
để đảm bảo mực nước trong bình chảy tràn không
Trang 22
bò tụt xuống (do nước ngừng cấp) nên đã làm ảnh hưởng đến lưu lượng của
dòng nước lạnh.
Giá trò (α
N
)
TT
được tính với giả thiết là chất ngưng tụ chảy màng, ngưng tụ hơi
tinh khiết trên bề mặt ống đứng, nhưng thực tế không đáp ứng được hoàn
toàn chính xác các điều kiện này nên cũng dẫn đến sai số.
PHỤ LỤC :
Xử lý sơ bộ kết quả đo:
Từ kết quả đo ghi trong bảng 1, thực hiện việc chuyển đổi đơn vò đo nhiệt độ,
áp suất, tính lưu lượng nước và đưa vào bảng 3.
t
o
C =
)32Ft(
9
5

Xác đònh các thông số phục vụ tính toán:
Các thông số vật lý tham gia trong quá trình tính toán gồm có:
Các thông số vật lý của nước chảy trong ống: C
PN
, λ, ρ, ν, β, Pr, µ, µ
Vtr
Các thông số này đươc xác đònh ở nhiệt độ trung bình của nước chảy trong
ống
2
tt
t
31
N
+
=
(bảng 3). Riêng µ
Vtr
được xác đònh ở nhiệt độ
VngVtr
tt ≈
.
Tra ở bảng 1.249, p310, [1].
Các thông số của nước ngưng tụ ở áp suất thí nghiệm: C
PC
, λ
C
, ρ
C
, ν
C

.
Tra ở bảng 1.249, p310, [1].
Các thông số vật lý của hơi nước bão hòa ở áp suất thí nghiệm:
Trang 23
• r
S
được xác đònh ở nhiệt độ t
S
đối với hơi nước bão hòa.
Tra ở bảng 1.251, p314, [1].
Kết quả xác đònh các thông số vật lý được đưa vào bảng 4.
Tính toán nhiệt lượng, xác đònh tổn thất nhiệt:
• Nhiệt lượng Q
1
tính theo công thức (1)
• Nhiệt lượng Q
2
tính theo công thức (2)
• Tổn thất nhiệt tính theo: ∆Q = Q
2
- Q
1
• Tỷ lệ tổn thất nhiệt: ∆Q(%) =
%100
Q
Q
1
×
∆
Kết quả tính toán đưa vào bảng 5.

tr
) xác đònh từ công thức (6)
gọi là hệ số cấp nhiệt thực nghiệm (α
N
)
TN
hay (α
tr
)
TN
.
Kết quả tính toán được đưa vào bảng 6.
Tính toán xác đònh hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ:
Trường hợp nước ngưng tụ chảy màng, hệ số cấp nhiệt α
C
tính theo công thức
(16) hoặc suy ra từ Nu trong công thức (17). Hệ số α
C
hoặc Nu tính theo công
thức (16) và (17) gọi là giá trò tính toán (α
C
)
TT
, (Nu)
TT
.
Hệ số cấp nhiệt thực nghiệm (α
C
)
TN

N
)
TT
và (α
C
)
TT
, bỏ qua
ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống








λ
δ
V
V
.
Trang 24
Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm K
TN
được tính theo công thức (9), trong đó Q
= Q
1
.
Tính hệ số truyền nhiệt có kể đến ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống

, W/m
2
.K (20)
Tính toán so sánh K
TT
với K’
TT
:
const,
K1
1
K
'K
V
V
TT
V
V
TT
TT
=
λ
δ
λ
δ
+
=
(21)
Kết quả tính toán các hệ số truyền nhiệt được đưa vào bảng 6.
TÀI LIỆU THAM KHẢO :