THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

ĐỐI LƯU NHIỆT

MỤC LỤC

1


THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

ĐỐI LƯU NHIỆT

TRÍCH YẾU
1. Mục đích thí nghiệm

I.

Giúp sinh viên củng cố kiến thức về sự truyền nhiệt đối lưu.
Giúp sinh viên làm quen với cấu tạo, ngun lý hoạt động của thiết bị và phương pháp
thí nghiệm về sự trao đổi nhiệt đối lưu.
Khảo sát thực nghiệm hệ số cấp nhiệt ở dòng lưu chất khơng 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 q trình trao đổi nhiệt đối lưu.
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 q trình truyền nhiệt đạt chế độ ổn định thì tiến hành đo đồng loạt các đại

Vò trí tấm chảy tràn (inch)
0
32
103
62
97
210
235
11
11
75
180
72

½
33
105
63
100
210
240
11
11
65
118
74

¾
32
105

11
11,5
44
86
75

2


THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

12
13

II.

Lượng nước chảy trong ống (ml)
Thời gian đo nước chảy trong ống
(s)

ĐỐI LƯU NHIỆT

1000

1000

1000

1000


tS
tN

t Vtr tVng

d tr δ V δ C
dng
Hình 1: Sơ đồ cơ chế
truyền nhiệt đối lưu

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.

3


THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

ĐỐI LƯU NHIỆT

Sơ đồ cơ chế truyền nhiệt đối lưu được biểu diễn ở hình 1.
δV, δC: bề dày thành ống và bề dày màng nước ngưng tụ, m
dtr, dng : đường kính trong và ngoài ống, m.
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.
tN: nhiệt độ trung bình của nước trong ống, oC.
tVtr, tVng:nhiệt độ trung bình của vách trong và vách ngoài ống, oC.
αC = αng:hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ (phía lưu chất bên ngoài), W/m2.K
αN = αtr: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.

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

4


THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

tC =

tS + t 'C
2

ĐỐI LƯU NHIỆT

, oC

(4)

t’C : nhiệt độ nước ngưng tụ chảy ra (trong thực tế t’ C là nhiệt độ quá lạnh của
nước ngưng tụ), oC


)Ftr, W

, W/m2.K

(6)

Q’2 = qngFng = αng(tS - tVng)Fng, W
⇒ α ng =

Q '2
(tS − tVng ) Fng

, W/m2.K

(7)

Theo lý thuyết:

5


THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

ĐỐI LƯU NHIỆT

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 (αtr) và hệ số cấp nhiệt phía hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài ống (αng).
Trong trường hợp nhiệt trở của vách truyền nhiệt không đáng kể (ống đồng có hệ số

∆t log =

(tS − t3 ) − (t S − t1 )
(t − t )
ln S 3
(tS − t1 )

,K

(10)

3. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (hệ số cấp nhiệt) phía dòng nước lạnh chảy trong

ống (α N hay α tr)
Hệ số cấp nhiệt αN (hay αtr) 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

6


THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

biệt dựa theo giá trị của tỷ số
Gr
Re 2,5

≤ 10-3

Gr

Dòng lưu chất
đối lưu tự nhiên

wd tr
4G N
=
ν
πd tr ρν

Gr
Re2,5

(11)

Với:
w : vận tốc dòng, m/s
ν : độ nhớt động học của lưu chất, m2/s
ρ : khối lượng riêng của lưu chất, kg/m3
a)

Trường hợp đối lưu tự nhiên:

Hệ số cấp nhiệt αN (hay αtr) ở trường hợp đối lưu tự nhiên được xác định từ chuẩn số
Nusselt (Nu):
Gr.Pr dtr
Nu =
×
32
H


∆t = tVtr − t N
Nu =

Pr =

ν
a

( tra bảng )
tN =

Các thông số vật lý của nước được xác định ở nhiệt độ trung bình:
b)

t1 + t 3
2

, oC

Trường hợp đối lưu cưỡng bức:

Ở chế độ chảy màng (Re < 2300) với Re.Pr.
dtr 

Nu = 1,86 Re . Pr . 
H


1/ 3


> 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*:

8


THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

M=

Nu *
0,14

 Pr 
Pr 0,43 
÷
 PrVtr 

ĐỐI LƯU NHIỆT

= f (Re)

Giá trị thực nghiệm của M được cho trong bảng 1.

Bảng 1:
Re.10-3



7

8

9

10

20

24

27

30

33

4. 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):
0,25

 gr ρ 2 λ 3 
α C = 0,943  S C C ÷




3


α H
νC
rS
gH

NuC = C = 0,943  2 .
.
λC CPC (tS − tVng ) 
λC
 νC


ρC CPC

=

0,25

m

0, 943(GaC .PrC .K ) 0,25
= 0, 943( K o )0,25
m
m

0 ,25

= 0,42(K )

0 ,28
o S

 µS 


µ 
Vng



0 ,25

(18)

Khác với công thức (16) ở đây các thông số vật lý được xác định ở nhiệt độ t S. Riêng
tVng =

PrVng xác định ở nhiệt độ trung bình của vách ngoài
III.

t2 + t4
2

, oC.


Đường kính trong

-

Bề dày thành ống

-

Hệ số dẫn nhiệt của ống đồng

: H = 60,96 cm= 0,61 m
: dng = 15,8 mm= 0,0158 m
: dtr = 13,8 mm= 0, 0138 m
δ
: = 1 mm= 0,001 m
λV
: = 1272 W/(m.K)

2. Phương pháp thí nghiệm
a)
Chuẩn bị

11


THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

ĐỐI LƯU NHIỆT

Chuẩn bị dụng cụ và điều kiện thí nghiệm

ống chỉ mức.
Đóng van V7.
Cấp điện cho bộ điện trở đun nước R1 cho đến khi áp suất trong nồi đun đạt
khoảng 15 PSI.
Cấp điện cho bộ điện trở R2 để gia nhiệt cho hơi nước (nếu có R2).
Tiến hành thí nhiệm

Điều chỉnh dòng nước lạnh chảy trong ống theo yêu cầu của bài thí nghiệm.
Khi áp suất trong nồi đun đạt 15 PSI, 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 12 PSI. Van V 6 phải mở để đủ hơi ngưng
tụ trên bề mặt ống truyền nhiệt.
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.
12


THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

ĐỐI LƯU NHIỆT

-

Lượng nước chảy trong ống trong ống trong ống trong một khoảng thời gian nhất

-

định.

- Khóa van nguồn nước.
- Khóa và mở các van đúng như hiện trạng trước khi làm thí nghiệm
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
1. Kết quả thí nghiệm
Bảng 2: Kết quả đo

STT
1
2

Các đại lượng đo
t1 (oC)
t2 (oC)

0
32
103

Vò trí tấm chảy tràn (inch)
½
¾
1
33
32
30
105
105
105

1½

Thời gian đo nước chảy trong ống
(s)

ĐỐI LƯU NHIỆT

62
97
210
235
11
11
75
180
72
1000

63
100
210
240
11
11
65
118
74
1000

54
98
208

135

84

62

55

46

2. Xử lý sơ bộ kết quả đo

Bảng 3

Các đại lượng đo

Vị trí tấm chảy tràn (inch)
0

½

¾

1

1½

t1 (oC)

32


43

t4 (oC)

97

100

98

98

91

t’C (oC)

72

74

76

73

75

14



48

43

43

37,5

100

102,5

101,5

101,5

96,5

100

102,5

101,5

101,5

96,5

100,00


0,00733

0,01177

0,01598

0,01802

0,02159

GC (kg/s)

0,000399

0,000527

0,000485

0,000634

0,000492

t1 + t 3
2

tN =

t Vng =

tC =

,K

3. Xác định các thông số tính toán

Bảng 4
Các thông số vật lý
Nước

CPN (J/kgK)

0
4182,096

Vị trí tấm chảy tràn (inch)
1/2
3/4
1
4180,213
4179,607
4179,105

1½
4178,707

15


THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

chảy

νC.106
(m2/s)
CPC
( J/kgK)
λS
(W/mK)
PrS

ĐỐI LƯU NHIỆT

0,653

0,6459

0,6424

0,6396

0,6361

985,97

988,74

989,82

990,66

991,67


0,2868

0,2978

0,2868

0,27

0,2899

0,6818

0,6814

0,6818

0,6824

0,6817

959,13

960,37

959,13

956,68

959,48


0,6818

0,6818

0,6818

0,6818

0,6818

1,77

1,77

1,77

1,77

1,77

PrVng

1,77

1,84

1,77

1,68


2262886

2262886

2262886

2262886

4. Nhiệt lượng và tổn thất nhiệt

Bảng 5

16


THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

ĐỐI LƯU NHIỆT

Q1 (W)

0
1550

Vị trí tấm chảy tràn (inch)
1/2
3/4
1
1598
1667


Các đại lượng

Trao đổi
nhiệt phía
nước chảy
trong ống

Trao đổi
nhiệt phía
nước ngưng
tụ

Truyền nhiệt
tổng quát

Vị trí tấm chảy tràn (inch)
1/2
3/4
1
3,657
3,852
4,006
1,840
1,770
1,675
2159
2412
2607
172121


852,80

915,37

1443,84

(αN)tn hay
(αtr)tn
(W/m2.K)

1317,48

1285,76

1189,49

978,64

1317,33

(αC)tt
(W/m2.K)

5062,77

4972,03

4846,29


4262,43

Q=Q1 ,W

1550,47

1598,15

1667,23

1578,75

1968,35

∆Tlog, K
Ktt,
W/m2.K
Ktn,
W/m2.K
K'tt,
W/m2.K
K'tt/Ktt

41,03

48,97

51,81

54,15


1107,03

0,9997

0,9996

0,9994

0,9994

0,9991

17


THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

ĐỐI LƯU NHIỆT

6. Đồ thị
a) Đồ thị mối quan hệ: NuN =f(Re), Ktt=f(Re)
9,85
1627
426,83

NuN
Re
KTT


1317,48

1/2
536,07
1285,76

3/4
852,80
1189,49

1
915,37
978,64

1½
1443,84
1317,33

18


THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

ĐỐI LƯU NHIỆT

Đồ thị mối tương quan giữa (αN)TT và (αN)TN
0
5062,77
395144,2
4


BÀN LUẬN
1. Giải thích tại sao khi thí nghiệm với tấm chảy tràn ở mức “0” mà nước trong

ống vẫn chảy ra.
Đầu tiên ta cần hiểu ý nghĩa các chỉ số 0, 1/2, 3/4, 1 ,...Các chỉ số này có nghĩa 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 thí nghiệm, nếu ta để vị trí tấm chảy tràn ở vị trí “0” và cấp 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).Do đó, nước không thể chảy do không có sự
chênh lệch về áp suất.Tuy nhiên trong quá trình thí nghiệm với vị trí tấm chảy tràn ở mức “0”
ta cung cấp hơi nước bão hòa có nhiệt độ cao để làm nóng dòng lạnh, khi đó đã xảy ra sự
truyền nhiệt qua vách (truyền nhiệt đối lưu). Dẫn đến sự chuyển động của dòng lưu chất do có
sự chênh lệnh về mật độ (khối lượng riêng) giữa những vùng có nhiệt độ khác khác nhau do
đó dòng nước vẫn chảy được ở mức “0” trong lúc thí nghiệm.

19


THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

ĐỐI LƯU NHIỆT

2. Nhận xét về mức độ tổn thất nhiệt

Q1 (W)

0
1550

-25

1282
-297
-19

Theo kết quả thí nghiệm ta thấy ∆Q < 0 điều đó có nghĩa là Q 1 ngoài nhiệt lượng lấy từ
ngưng tụ và làm nguội nước ngưng còn có quá trình làm nguội hơi quá nhiệt về nhiệt độ
ngưng tụ. Theo kết quả tính toán thì tổn thất nhiệt là tương đối thấp.
3. Nhận xét và giải thích về ảnh hưởng của vị trí tấm chảy tràn lên các hệ số α tr,

α ng và K.
Ảnh hưởng của vị trí tấm chảy tràn lên các hệ số αtr, αng
-

Khi vị trí tấm chảy tràn càng cao thì (αN)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. Ngoài ra khi vận tốc dòng càng tăng thì sự tiếp xúc để trao đổi nhiệt càng giảm
dẫn đến hiệu quả truyền nhiệt kém hơn → nhiệt độ trung bình của dòng lạnh càng giảm → Pr
và µ càng tăng Nu càng tăng (công thức (13)) ⇒ (αN)TT càng tăng. Vì vậy, kết quả thí

-

nghiệm phù hợp với lý thuyết.
Khi tăng độ cao của vị trí tấm chảy tràn thì vẫn chưa đủ dữ kiện đê dự đoán (αN)TN sẽ tăng hay
giảm. Bởi vì, đối với các vị trí xảy ra trao đổi nhiệt cưỡng bức: nhiệt lượng mà dòng lạnh nhận
(Q1) sẽ tăng do lưu lượng tăng (giải thích ở trên), khi đó hiệu quả truyền nhiệt giảm nên đại

lượng


+

1
(α C )tt

Theo công thức Ktt phụ thuộc
(α N )tt

và

(α C )tt

=

(α N ) tt × (α C )tt
(α N )tt + (α C ) tt
, W/m2.K

(α N )tt

và

(α C )tt

mà ta có vị trí tấm chảy tràn càng cao thì

càng cao do đó Ktt càng tăng.

4. So sánh và giải thích mối tương quan giữa giá trị tính toán và giá trị thực



δ
1
+ V
(α C )tt λV

ĐỐI LƯU NHIỆT

, W/m 2 K

Theo kết quả tính toán thì

K tt '

< Ktt do đó trở nhiệt thành ống làm giảm hệ số truyền

nhiệt tổng quát. Nhưng sự chênh lệch này không quá lớn nên có thể bỏ qua
6. Nhận xét về độ tin cậy của kết quả thí nghiệm, ước lượng sai số và nêu những

nguyên nhân dẫn đến sai số.
Theo kết quả thu được ta nhận thấy rằng độ tin cậy của thí nghiệm không cao. Các sai
số trong bài thí nghiệm còn khá lớn
Nguyên nhân sai số
-

Thiết bị cấp nhiệt bằng điện trở không ổn định
Lượng hơi nước bão hòa dễ bị ngưng tụ trong quá trình làm việc
Van điều chỉnh khó khăn ảnh hưởng các thông số đo
Nhiệt độ làm việc càng ngày càng tăng làm ảnh hưởng đến các đồng hồ đo.
Đo thời gian và xác định đồng thời các thông số rất khó khăn.


≈

1at=0,981 bar

=>tS =98,89 0C (tra ở trang 314 ở sổ tay quá trình thiết bị tập 1)
GV =

Lưu lượng thể tích:

V
t

,trong đó:

V: thể tích nước đo được (m3)
t: thời gian đo (s)
G = GV .ρ =
Lưu lượng khối lượng:

V
.ρ
t

2. Xác định các thông số phục vụ tính toán:

Các thông số vật lý tham gia trong quá trình tính toán gồm có:
a) Các thông số vật lý của nước chảy trong ống:

CPN , λ , ρ ,ν , β , Pr, µ , µtr

THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

c)
-

ĐỐI LƯU NHIỆT

Các thông số có chỉ số “s” xác định ở nhiệt độ tS.
Các thông số có chỉ số “Vng” xác định ở nhiệt độ tVng.
Tra ở bảng 1,trang 310 ở cuốn sổ tay quá trình thiết bị tập 1.
Các thông số vật lý của hơi nước bão hòa ở áp suất thí nghiệm:
RS được xác định ở nhiệt độ tS đối với hơi nước bão hòa.
Tra ở bảng 1 và trang 314 ở cuốn sổ tay quá trình thiết bị tập 1.
Kết quả xác định các thông số vật lý được đưa vào bảng 4.

Tính toán nhiệt lượng,xác định tổn thất nhiệt:
Nhiệt lượng Q1 tính theo công thức (1).
Nhiệt lượng Q2 tính theo công thức (2).
Tổn thất nhiệt tính theo: ΔQ=Q2-Q1.
∆Q
∆Q(%) =
× 100%
Q1
- Tỷ lệ tổn thất nhiệt:
- Kết quả tính toán đưa vào bảng 5.
4. Tính toán xác định hệ số cấp nhiệt phía nước chảy trong ống:
3.
-

Ở trường hợp đối lưu tự nhiên(ứng với thí nghiệm ở vị trí “0” của tấm chảy tràn),Nu và

1
+
(α N )TT (α C )TT

=

(α N )TT × (α C )TT
(α N )TT + (α C )TT
,W/m2.K

Ở đây: KTT là hệ số truyền nhiệt tổng quát,tính theo (αN)TN và (αC)TT, bỏ qua ảnh hưởng

của nhiệt trở thành ống

 δV 
 ÷
 λV 

.

Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN được tính theo công thức (9),trong đó Q = Q1.

Tính hệ số truyền nhiệt có kể đến ảnh hưởng của nhiệt trở thành ống
'
KTT
=

1
(α N )TT



25