Báo cáo thí nghiệm Nhiệt động lực học và truyền nhiệt - Bài 3: Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt

BÀI 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

3.1 Mục đích thí nghiệm

- Quan sát quá trình trao đổi nhiệt của ống xoắn và vỏ bọc chùm ống

- Tính hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị và hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao

đổi nhiệt.

3.2 Mô tả thí nghiệm

3.2.1 Thiết bị và vật tư thí nghiệm

- Thiết bị gồm 2 bộ trao đổi nhiệt (ống xoắn và vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt cùng

chiều hoặc ngược chiều.

Hình 3.1: Bộ trao đổi nhiệt dạng ống xoắn

Hình 3.2: Vỏ bọc chùm ống

Hình 3.3: Bộ đo lưu lượng của nước nóng và nước lạnh lần lượt là FI2 và FI2

- Có 4 cảm biến nhiệt độ dùng đo nhiệt độ vào và ra của nước nóng và nước lạnh đi qua

bộ trao đổi nhiệt. Nhiệt độ được hiển thị trên màn hình.

Hình 3.4: Màn hình hiển thị

 Các đặc điểm kỹ thuật:

- Bộ coil exchanger với bề mặt trao đổi nhiệt khoảng 0.1 m², kí hiệu E2.

- Coil làm từ thép không gỉ AISI 316, đường kính ngoài ống 12 mm, bề dày 1mm, chiều

dài 3500 mm.

- Ống bọc ngoài làm từ thủy tinh borosilicate, đường kính trong 100 mm.

- Bộ shell-and-tube exchanger, bề mặt trao đổi nhiệt khoảng 0,1 m², kí hiệu E1.

- Có 5 ống làm từ thép AISI 316, đường kính ngoài ống 10 mm, bề dày 1mm và chiều dài

900mm.

- Ống bọc ngoài làm từ thủy tinh borosilicate, đường kính trong 50mm.

- Có 13 khoảng chia với kích thước khoảng 75% đường kính.

3.2.2 Mô tả thí nghiệm

- Kiểm tra các đường nước vào, nước ra được gắn chặt vào đường ống.

- Kiểm tra nguồn điện.

- Kiểm tra bình cấp nước nóng.

- Đóng các van xả.

- Bật công tắc bảng hiện thị nhiệt độ.

- Bật bơm chạy các đường nước nóng và lạnh.

- Nước nóng và nước lạnh chạy qua hai bộ trao đổi nhiệt và nhiệt độ được hiển thị trên

màn hình.

3.3 Nhiệm vụ thí nghiệm

Lần lượt tiến hành các bài thí nghiệm sau và lấy số liệu:

a. Chạy bộ E1 (vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt cùng chiều:

Mở các van V1, V6, V7, V8 và V10.

Đóng các van V2, V3, V4, V5, V9 và V11.

b. Sử dụng bộ E1 (vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt ngược chiều:

Mở các van V1, V6, V7, V9 và V11.

Đóng các van V2, V3, V4, V5, V8 và V10.

c. Sử dụng bộ E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt cùng chiều:

Mở các van V3, V4, V5, V8 và V10.

Đóng các van V1, V2, V6, V7, V9 và V11.

d. Sử dụng bộ E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt ngược chiều:

Mở các van V3, V4, V5, V9 và V11.

Đóng các van V1, V2, V6, V7, V8 và V10.

Điều chỉnh lưu lượng nước nóng và lưu lượng nước lạnh bằng các van. Mỗi lần

điều chỉnh đợi khoảng 2-3 phút cho nhiệt độ các cảm biến ổn định thì tiến hành ghi số

liệu.

3.4 Số liệu thí nghiệm

E1 (vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt cùng chiều:

∆푻

nóng

6.5

7.6

7.5

∆푻

lạnh

5.9

6.5

6.4

Test

FI1

FI2

TI1

TI2

TI3

TI4

1

2

3

4

5

620

630

610

570

510

720

750

710

740

790

64.7

67.6

67.1

66.8

58.2

60

60.1

59.7

59.1

38.2

37.9

38.7

39.5

40

44.1

44.4

45.1

45.4

45.2

7.4

7.7

5.9

5.2

E1 (vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt ngược chiều:

∆푻

nóng

8

7.3

6.6

6.4

6.3

∆푻

lạnh

5.3

6

Test

FI1

FI2

TI1

TI2

TI3

TI4

1

2

3

4

5

510

600

620

640

610

800

880

730

720

750

66.4

66.1

66

65.7

65.1

58.4

58.8

59.4

59.3

58.8

40.4

40.9

41.3

41.6

41.8

45.7

46.2

47.3

47.5

47.4

5.9

5.6

E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt cùng chiều:

∆푻

nóng

8.1

8.3

8.8

∆푻

lạnh

4.2

3.9

4

Test

FI1

FI2

TI1

TI2

TI3

TI4

1

2

3

4

5

380

390

340

300

260

770

880

770

790

770

64.7

64.3

64.4

64.2

64.3

56.6

56

55.6

54.6

53.8

41.6

41.5

41.4

45.8

45.5

45.2

45

9.6

10.5

3.7

3.6

E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt ngược chiều:

∆푻

nóng

10.8

9.6

9.3

8.7

∆푻

lạnh

3.8

3.9

4

Test

FI1

FI2

TI1

TI2

TI3

TI4

1

2

3

4

5

260

330

340

380

390

770

790

780

880

800

64.3

64.4

64.2

64

53.5

54.8

54.9

55.3

55.7

41.2

41.3

41.2

41.3

45

45.2

45.5

4

4.2

64

8.3

BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

E1 (vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt cùng chiều:

∆푻 ∆푻

Q

흎_풏ó풏품흎_풍ạ풏풉

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4

Q lạnh

η

∆푻풍풏

k

Re_nóng

Re_lạnh

nóng lạnh nóng

1

2

620 720 64.758.238.244.1 6.5 5.9 4.60 4.88 106.3 19.7 1841.9 0.6851 0.1061 11703

630 750 67.6 60 37.944.4 7.6 6.5 5.46 5.61 102.7 21.9 1962.2 0.6961 0.1105 12280

7801

8126

3

4

5

610 710 67.6 6.1 38.745.1 7.5 6.4 5.21 5.22 100.2 21.2 1937.1 0.6740 0.1046 11898

570 740 67.159.739.545.4 7.4 5.9 4.81 5.02 104.4 20.2 1871.8 0.6298 0.1091 11049

7786

8187

8762

510 790 66.859.1 40 45.2 7.7 5.2 4.48 4.72 105.4 19.6 1794.2 0.5635 0.1164

9825

E1 (vỏ bọc chùm ống) trao đổi nhiệt ngược chiều:

∆푻 ∆푻

Q

흎_풏ó풏품흎_풍ạ풏풉

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4

η

∆푻풍풏

k

Re_nóng

Re_lạnh

nóng lạnh nóng lạnh

1

2

3

4

5

510 800 66.458.440.445.7 8 5.3 4.65 4.87 104.7 18.6 1973.6 0.5635 0.1179 9751

600 880 66.158.840.946.2 7.3 5.3 4.99 5.36 107.3 18.2 2163.5 0.6630 0.1297 11480

620 730 66 59.441.347.3 6.6 6 4.67 5.03 107.8 17.7 2080.7 0.6851 0.1076 11903

640 720 65.759.341.647.5 6.4 5.9 4.67 4.88 104.4 17.2 2135.2 0.7072 0.1061 12254

610 750 65.158.841.847.4 6.3 5.6 4.38 4.82 110.0 16.6 2073.2 0.6740 0.1105 11592

8938

9913

8327

8247

8598

E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt cùng chiều:

∆푻 ∆푻

Q

흎_풏ó풏품흎_풍ạ풏풉

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4

η

∆푻풍풏

k

Re_nóng

Re_lạnh

nóng lạnh nóng lạnh

1

2

3

4

5

380 770 64.756.641.645.8 8.1 4.2 3.51 3.71 105.8 16.2 1794.2 1.3447 0.1135 2837

390 880 64.3 56 41.645.5 8.3 3.9 3.69 3.94 106.7 15.8 1929.5 1.3800 0.1297 2893

340 770 64.455.641.545.5 8.8 4 3.41 3.54 103.6 15.6 1804.9 1.2031 0.1135 2517

300 790 64.254.641.545.2 9.6 3.7 3.29 3.36 102.1 15.1 1801.2 1.0616 0.1164 2203

260 770 64.353.841.4 45 10.5 3.6 3.12 3.18 102.2 14.7 1747.2 0.9200 0.1135 1901

1974

2250

1967

2013

1958

E2 (ống xoắn) trao đổi nhiệt ngược chiều:

∆푻 ∆푻

Q

흎_풏ó풏품흎_풍ạ풏풉

Test FI1 FI2 TI1 TI2 TI3 TI4

η

∆푻풍풏

k

Re_nóng

Re_lạnh

nóng lạnh nóng lạnh

1

2

3

4

5

260 770 64.3 53.5 41.2 45 10.8 3.8 3.21 3.36 104.9 14.6 1814.4 0.9200 0.1135 1897

330 790 64.4 54.8 41.3 45.2 9.6 3.9 3.62 3.54 97.9 15.4 1943.9 1.1677 0.1164 2430

340 780 64.2 54.9 41.2 45.2 9.3 4 3.61 3.58 99.3 15.4 1936.4 1.2031 0.1150 2502

380 880 64 55.3 41.2 45.2 8.7 4 3.77 4.04 107.2 15.6 1999.5 1.3447 0.1297 2800

390 800 64 55.7 41.3 45.5 8.3 4.2 3.69 3.86 104.5 15.6 1954.2 1.3800 0.1179 2881

1954

2010

1983

2237

2041

Nhận xét:

- Đối với dạng vỏ bọc chùm ống hệ số k ở trường hợp trao đổi nhiệt ngược chiều lớn hơn

ở trường hợp cùng chiều.

- Đối với dạng ống xoắn hệ số k ở trường hợp trao đổi nhiệt cùng chiều nhỏ hơn ở trường

hợp ngược chiều.

- Đối với dạng vỏ bọc chùm ống dòng chảy có 10⁴> Re > 2300 là dòng chảy chuyển tiếp

4

từ chảy tầng sang chảy rối Re

ở trường hợp trao đổi nhiệt cùng chiều và cả trường

≥ 10

hợp ngược chiều

- Đối với dạng ống xoắn ở trường hợp trao đổi nhiệt cùng chiều thì ở trường hợp nước nóng

là dòng chuyển tiếp (10⁴> Re > 2300) còn ở nước lạnh là dòng chảy tầng (Re

2300); ở

≤

trường hợp trao đổi nhiệt ngược chiều cũng tương tự