Báo cáo thí nghiệm môn Truyền nhiệt | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

lOMoAR cPSD| 59703641
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG CƠ KHÍ KHOA NĂNG LƯỢNG NHIỆT
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT HỌ VÀ TÊN: MSSV:
LỚP THÍ NGHIỆM: HỌC KỲ: lOMoAR cPSD| 59703641
Bài 1: DẪN NHIỆT ỔN ĐỊNH QUA VÁCH PHẲNG
Mục đích: Bằng thí nghiệm minh họa quá trình dẫn nhiệt ổn định một chiều qua vách
phẳng và xác định mật độ dòng nhiệt qua vách. Cơ sở lý thuyết
Trong lý thuyết truyền nhiệt vật có hình dạng đơn giản như vách phẳng được gọi
là vật có hình dạng kinh điển. Trường nhiệt độ trong các vật này là trường một chiều và
ở chế độ ổn định được biểu diễn bởi phương trình vi phân sau đây: (1)
Điều kiện biên của bài toán cho biết nhiệt độ tw1 và tw2 ở 2 bên vách, mật độ dòng nhiệt
truyền qua vách phẳng được tính toán bằng công thức: q = (t ) w1 −tw2 (2) Trong đó:
- q là mật độ dòng nhiệt, [W/m2] xác định theo công thức q=Q với Q [W] là F
dòng nhiệt qua vách, F là diện tích truyền nhiệt, [m2]
- λ là hệ số dẫn nhiệt, [W/mK]
- δ là chiều dày vách phẳng, [m]
- tw1, tw2 nhiệt độ tại bề mặt vách, [oC] lOMoAR cPSD| 59703641
Hình 1: Dẫn nhiệt 1 chiều qua vách phẳng
MÔ TẢ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
Hình 2 mô tả hệ thống thiết bị thí nghiệm xác định mật độ dòng nhiệt truyền qua
vách phẳng gồm bộ cách nhiệt chứa mẫu thí nghiệm, nguồn DC 30V, buồng ổn định
nhiệt độ nước, thiết bị thu thập tín hiệu nhiệt độ và máy tính.
Hình 2: Thiết bị thí nghiệm xác định mật độ dòng nhiệt truyền qua vách phẳng.
Trong thiết bị này, nhiệt được cấp từ 01 điện trở dạng tấm. Hiệu điện thế và cường
độ dòng điện cấp cho điện trở được đo trực tiếp từ bộ cấp nguồn DC. Công suất cấp
nhiệt được xác định theo công thức Q U I= . (3) lOMoAR cPSD| 59703641
Trên bề mặt thanh điện trở có 02 tấm đồng có hệ số dẫn nhiệt rất lớn được áp lên nhằm
tạo ra bề mặt có nhiệt độ đồng đều. Tiếp đó, lớp vật liệu gốm có hệ số dẫn nhiệt là 18
W/mK được bố trí tiếp xúc với 2 tấm đồng khác. Dưới cùng là 01 bộ làm mát bằng nước
lạnh. Nhiệt độ nước lạnh được cố định thông qua 1 bộ điều khiển nhiệt độ.
TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM
1. Nghiên cứu lý thuyết về dẫn nhiệt ổn định qua vách phẳng
2. Theo dõi cán bộ hướng dẫn giới thiệu, phân tích cơ sở lý thuyết, phân tích các thành
phần cấu tạo của thiết bị thí nghiệm.
3. Khởi động thiết bị, chờ buồng ổn định nhiệt độ nước làm mát đạt nhiệt độ 25oC.
4. Điều chỉnh công suất điện cho bộ gia nhiệt để tạo dòng nhiệt trong bộ thí nghiệm.
5. Quan sát nhiệt độ trên màn hình máy tính/đồng hồ đo, chờ thời gian nhiệt độ ổn định ở cả hai mặt vách.
6. Tiếp tục thực hiện tương tự với công suất nhiệt khác nhau.
7. Vẽ lại sơ đồ, ghi chép các thông tin cần thiết để hoàn thành báo cáo thí nghiệm.
XỬ LÝ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Yêu cầu:
• Sinh viên đọc trước sơ đồ nguyên lí, trình bày được nguyên lí, cấu tạo của thiết bị thí nghiệm.
• Tính toán mật độ dòng nhiệt ứng với các trường hợp công suất nhiệt khác nhau.
• So sánh mật độ dòng nhiệt giữ lý thuyết và thực tế, nhận xét kết quả.
Bảng 1 Kết quả thí nghiệm
- Chiều dày mẫu δ = ……………..
- Kích thước bề mặt mẫu: 40 mm x 40 mm -
Diện tích bề mặt F = 1600 mm2 STT U [V] I [A] Qđo [W] tnước tw1 [oC] tw2 [oC] Qtt 1 15 lOMoAR cPSD| 59703641 2 16 3 17 4 18 5 19 6 20 7 21 8 22 9 23
Đánh giá sai số Qđo - Qtt và rút ra nhận xét
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Vẽ biểu đồ kiểm tra sự phụ thuộc tuyến tính của Qđo
vào hiệu nhiệt độ ∆ =t (t ) w1 −tw2 . lOMoAR cPSD| 59703641
Bài 2: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ DẪN NHIỆT CỦA MỘT SỐ LOẠI CỦ, QUẢ THỰC
PHẨM BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGUỒN ĐƯỜNG
Mục đích: Bằng thí nghiệm minh họa quá trình dẫn nhiệt không ổn định, đồng thời xác
định hệ số dẫn nhiệt theo phương pháp nguồn đường.
Cơ sở lý thuyết 1. Lý thuyết nguồn đường
Việc xác định hệ số dẫn nhiệt bằng phương pháp đo không ổn định sử dụng nguồn nhiệt
dạng đường do một dây dẫn có dòng điện chạy qua sinh ra được đặt trong không gian
rộng vô hạn. Trong trường hợp này nhiệt được truyền theo không gian hình trụ do vậy
chọn hệ tọa độ trụ với nguồn nhiệt nằm trên trục z để biểu diễn quá trình dẫn nhiệt như
trên Hình 1. Trường nhiệt độ trong lớp vật liệu được biểu diễn là hàm của bán kính và thời gian, t=t(r,τ) lOMoAR cPSD| 59703641
Hình 1: Dẫn nhiệt 1 chiều qua vách phẳng
Phương trình vi phân dẫn nhiệt mô tả quá trình dẫn nhiệt bên trong lớp vật liệu được biểu diễn như sau: 𝜕𝜕𝜕𝜕
𝜕𝜕2𝜕𝜕 1 𝜕𝜕𝜕𝜕
= 𝑎𝑎 2 + 𝑟𝑟𝜕𝜕𝑟𝑟 (1a) 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑟𝑟 Trong đó:
t: Nhiệt độ, [oC] τ: Thời
gian, [s] a: Hệ số dẫn nhiệt
độ, [m2/s] r: Bán kính tình từ nguồn, [m]
Điều kiện biên loại 2 tại bề mặt của nguồn nhiệt đường: 𝜕𝜕𝜕𝜕 −𝜆𝜆 = 𝑞𝑞𝐹𝐹 (1b)
𝜕𝜕𝑟𝑟 𝑟𝑟=𝑅𝑅 Trong đó:
𝜆𝜆 : Hệ số dẫn nhiệt, [W/mK]
qF : Mật độ dòng nhiệt, [W/m2]
Điều kiện ban đầu của quá trình dẫn nhiệt:
𝜕𝜕(𝑟𝑟, 𝜕𝜕 = 0) = 𝜕𝜕0 (1c)
Đặt 𝜃𝜃 = 𝜕𝜕 −𝜕𝜕0 là nhiệt độ thừa bên trong vật so với nhiệt độ ban đầu 𝜕𝜕0. lOMoAR cPSD| 59703641
Sử dụng phương pháp biến đổi Laplace đưa bài toán vi phân đạo hàm riêng (1) về bài
toán vi phân đạo hàm thường trong miền ảnh. Sau khi giải bài toán vi phân đạo hàm
thường trên miền ảnh, nghiệm của phương trình vi phân đạo hàm thường sẽ được chuyển
về không gian thực bằng phép biến đổi Laplace ngược. Ta sẽ đưa ra và sử dụng nghiệm
của bài toán trong không gian thực. 𝑞𝑞𝑙𝑙 4𝑎𝑎𝜕𝜕 1 𝑟𝑟2 1 𝑟𝑟2 2 𝜃𝜃 = 4
𝜋𝜋𝜆𝜆𝑙𝑙𝑙𝑙𝛾𝛾𝑟𝑟2 + 1.1! 4𝑎𝑎𝜕𝜕− 2.2! 4𝑎𝑎𝜕𝜕 +. . . (2) Trong đó:
𝛾𝛾 = 1.78107 và ln(𝛾𝛾) = 0.5772 là hằng số Euler
𝑞𝑞𝑙𝑙 = 2𝜋𝜋𝜋𝜋𝑞𝑞𝐹𝐹 là mật độ dòng nhiệt trên một đơn vị chiều dài của nguồn nhiệt đường, [W/m] Khi
𝑟𝑟2 rất nhỏ, nghiệm của bài toán hoàn toàn có thể bỏ qua các số hạng sau của chuỗi 4𝑎𝑎𝑎𝑎
(2) mà không mắc phải sai số đáng kể, khi đó: 𝑞𝑞𝑙𝑙 4𝑎𝑎𝜕𝜕 𝜃𝜃 = 4
𝜋𝜋𝜆𝜆𝑙𝑙𝑙𝑙𝛾𝛾𝑟𝑟2 (3)
Biến thiên nhiệt độ tại 2 thời điểm 𝜕𝜕1và 𝜕𝜕2 ở vị trí có bán kính r, hiệu của nhiệt độ tại
hai thời điểm này được xác định theo công thức: 𝑞𝑞𝑙𝑙 𝜕𝜕2
∆𝜕𝜕 = 𝜕𝜕2 −𝜕𝜕1 = 𝜃𝜃2 −𝜃𝜃1 = 𝑙𝑙𝑙𝑙 (4) 4𝜋𝜋𝜆𝜆 𝜕𝜕1
Như vậy, hệ số dẫn nhiệt có thể được xác định trực tiếp qua công thức: 𝑞𝑞𝑙𝑙 𝜕𝜕2 𝜆𝜆 = 4
𝜋𝜋(𝜕𝜕2 −𝜕𝜕1) 𝑙𝑙𝑙𝑙𝜕𝜕1 (5)
Phương trình (5) này chính là cơ sở để xác định hệ số dẫn nhiệt 𝜆𝜆 theo phương pháp
nguồn đường – “que thăm”. lOMoAR cPSD| 59703641
Trong thực tế, hiệu của nhiệt độ ∆𝜕𝜕 được vẽ theo 𝑙𝑙𝑙𝑙(𝜕𝜕) như một đường thẳng và
độ dốc k của đường thẳng đó thu được bằng phương pháp bình phương tối thiểu từ dữ liệu thực nghiệm:
𝑘𝑘 = 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝜕𝜕2 (6) 𝜕𝜕1 Từ (5) (6) suy ra: 𝑞𝑞𝑙𝑙 𝜆𝜆 = (7) 𝜕𝜕2 −𝜕𝜕1 4𝜋𝜋𝑘𝑘
Dòng nhiệt Q là công suất nhiệt sinh ra bởi điện áp U đặt vào dây điện trở nhiệt và dòng điện I đi qua nó:
𝑄𝑄 = 𝑈𝑈𝑈𝑈 (8)
Mật độ dòng nhiệt theo chiều dài của nguồn nhiệt đường được xác định theo công thức: 𝑄𝑄 𝑞𝑞𝑙𝑙 = (9) 𝑙𝑙
2. Tính toán hệ số dẫn nhiệt một số loại thực phẩm
Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm phụ thuộc vào các yếu tố như thành phần, cấu trúc và
nhiệt độ. Nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất sử dụng các mô hình dẫn nhiệt song song và
vuông góc (hoặc chuỗi) dựa trên sự tương tự với điện trở (Murakami và Okos 1989).
Mô hình song song là tổng hệ số dẫn nhiệt của các thành phần thực phẩm nhân với phần thể tích của chúng: λ λ=Σx vii
Trong đó xiv là phần thể tích của cấu tử i. Phần trăm thể tích của cấu tử i có thể được
tìm thấy từ phương trình sau: lOMoAR cPSD| 59703641 x )
iv =Σ(xxi i//ρρi i
Mô hình vuông góc là nghịch đảo của tổng các phần thể tích chia cho hệ số dẫn nhiệt của chúng: λ=
Hai mô hình này đã được tìm thấy để dự đoán giới hạn trên và dưới hệ số dẫn nhiệt của
hầu hết các loại thực phẩm.
MÔ TẢ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
Hình 2 mô tả thí nghiệm đo hệ số dẫn nhiệt TLS100 của hãng ThermTest. Dải đo của
thiết bị từ 0.02 – 5 W/mK, áp dụng các loại vật liệu cách nhiệt dạng xốp, vật liệu mềm
như bùn, đất; vật liệu xây dựng như cát, xi măng; các loại củ quả, thực phẩm,… Đối với
các vật liệu cứng phải khoan lỗ trước khi tiến hành thí nghiệm.
Hình 2: Thiết bị thí nghiệm Thermtest TLS100 xác định hệ số dẫn nhiệt theo phương pháp nguồn đường
TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM 8.
Nghiên cứu lý thuyết về dẫn nhiệt không ổn định khi có nguồn nhiệt dạng đường,
tính toán hệ số dẫn nhiệt của các loại thực phẩm. lOMoAR cPSD| 59703641 9.
Theo dõi cán bộ hướng dẫn giới thiệu, phân tích cơ sở lý thuyết, phân tích các
thành phần cấu tạo của thiết bị thí nghiệm. 10.
Kết nối que thăm vào thiết bị sau đó nhấn nút màu đỏ để khởi động thiết bị. 11.
Thiết đặt thời gian đo, tùy theo từng loại vật liệu. 12.
Cắm que thăm vào mẫu cần đo, nhập ID cho mẫu và chờ thời gian nhiệt độ của
que thăm đồng đều với nhiệt độ của mẫu. 13.
Nhất nút xanh để tiến hành quá trình đo. 14.
Kết thúc quá trình đo, rút que thăm ra khỏi mẫu, chờ que thăm ổn định nhiệt độ
rồi tiếp tục thí nghiệm với mẫu khác. 15.
Vẽ lại sơ đồ, ghi chép các thông tin cần thiết để hoàn thành báo cáo thí nghiệm.
XỬ LÝ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Yêu cầu
• Sinh viên tìm hiểu trước trình bày nguyên lí, cấu tạo của thiết bị thí nghiệm.
• Nắm được cách thức tính toán hệ số dẫn nhiệt theo lý thuyết nguồn đường từ dữ liệu thực nghiệm
• Tính toán được hệ số dẫn nhiệt theo 2 mô hình song song và vuông góc.
• Nhận xét kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm.
Nguồn nhiệt đường ql = W/m
Bảng kết quả thực nghiệm
Thời gian τ, s Nhiệt độ t, oC ln(τ)
Thời gian τ, s Nhiệt độ t, oC ln(τ) 0 - 160 10 170 20 180 30 190 40 200 50 210 lOMoAR cPSD| 59703641 60 220 70 230 80 240 90 250 100 260 110 270 120 280 130 290 140 300 150
Vẽ đồ thị phụ thuộc của nhiệt độ vào ln(τ) theo mẫu:
Đồ thị thực nghiệm từ kết quả đo: lOMoAR cPSD| 59703641
Xác định hệ số góc của phương trình phụ thuộc 𝜕𝜕 = 𝐶𝐶1 𝑙𝑙𝑙𝑙(𝜕𝜕) + 𝐶𝐶2
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………. ql
Xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu λ=4πC1
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………. lOMoAR cPSD| 59703641
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
Xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu từ các thông số cấu tạo theo mô hình vuông góc và song song
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………. lOMoAR cPSD| 59703641
…………………………………………………………………………………………. Nhận xét
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………….
Bài 3: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU TRONG KÊNH DẪN
Mục đích: Bằng thí nghiệm minh họa quá trình trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức trong
kênh dẫn, đánh giá sự ảnh hưởng của các loại bề mặt trao đổi nhiệt, dòng nhiệt, vận tốc
đến quá trình trao đổi nhiệt đối lưu. Cơ sở lý thuyết
Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ sự chuyển động của
chất lỏng hay chất khi (gọi chung là lưu chất) giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau.
Trong thực tế thường gặp quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn với lưu chất chuyển
động. Quá trình này gọi là tỏa nhiệt đối lưu hay đơn giản gọi là tỏa nhiệt.
Để tính lượng nhiệt trao đổi giữa bề mặt vách và chất lưu ta sử dụng công thức Newton.
Công thức Newton có dạng: )
q =α −(tw t f , [W/m2] hay:
Q = q F. =α. .F t( ) w −t f , [W] Trong đó:
- q và Q: lần lượt là mật độ dòng nhiệt và dòng nhiệt
- F: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt , [m2]
- tw: nhiệt độ bề mặt vách, [oC] lOMoAR cPSD| 59703641
- tf: nhiệt độ của lưu chất ở xa bề mặt vách, [oC]
- α: hệ số tỏa nhiệt , [W/m2K]
Hệ số tỏa nhiệt đối lưu α đặc trưng cho cường độ trao đổi nhiệt đối lưu: Q , [W/m2K] α= F t.( ) w −t f = Đặt k )
Σ =αF khi đó: kΣ
Q đặc trưng cho cả cường độ trao đổi nhiệt và các bề (tw −t f
mặt có diện tích trao đổi nhiệt khác nhau.
MÔ TẢ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
Hình 2 mô tả thiết bị thí nghiệm trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức trong kênh dẫn. Thiết
bị chứa các cảm biến nhiệt độ, vận tốc và hiển thị các thông số đó trên màn hình. Trong
quá trình thí nghiệm sinh viên tiến hành thay đổi công suất, vận tốc khí trong kênh và
các bộ trao đổi nhiệt khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của từng yếu tố đến quá trình
trao đổi nhiệt đối lưu. lOMoAR cPSD| 59703641
Hình 1: Thiết bị thí nghiệm xác định mật độ dòng nhiệt truyền qua vách phẳng
TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM 16.
Nghiên cứu lý thuyết về trao đổi nhiệt đối lưu 17.
Theo dõi cán bộ hướng dẫn giới thiệu, phân tích cơ sở lý thuyết, phân tích các
thành phần cấu tạo của thiết bị thí nghiệm. 18.
Lắp bộ trao đổi nhiệt vào kênh dẫn 19.
Kết nối cảm biển nhiệt độ, vận tốc, sau đó gạt công tắc để khởi động thiết bị 20.
Khởi động quạt, nhấn nút đề cấp điện cho bộ gia nhiệt 21.
Điều khiển các mức công suất và mức quạt ứng với từng chế độ lOMoAR cPSD| 59703641 22.
Quan sát nhiệt độ trên màn hình thiết bị, chờ thời gian nhiệt độ ổn định ở bề mặt
vách sau đó ghi kết quả vào bảng số liệu 1 23.
Tiếp tục thực hiện tương tự với công suất nhiệt và vận tốc khác nhau khác nhau. 24.
Ghi chép các thông tin cần thiết để hoàn thành báo cáo thí nghiệm.
XỬ LÝ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Sinh viên trình bày nguyên lí, cấu tạo của thiết bị thí nghiệm vừa tìm hiểu, tính toán và
vẽ đồ thì sự phụ thuộc của hệ số kΣcủa từng loại bộ trao đổi nhiệt theo vận tốc, nhận xét kết quả:
1. Trình bày sơ đồ điểm đo và cấu trúc bề mặt trao đổi nhiệt có cánh
2. Nêu trình tự làm thí nghiệm đối với bề mặt có cánh, giải thích xu hướng biến đổi
của nhiệt độ T1, T2, T3 và Tw (hay TH)
Bảng 1 Kết quả thí nghiệm cho bộ trao đổi nhiệt dạng tấm phẳng -
Nhiệt độ môi trường tf = …………….. STT ω [V]
Q [W] tw [oC] ∆t = tw - tf [oC] kΣ [W/K] 1 3 40 2 4 40 3 5 40 4 3 55 lOMoAR cPSD| 59703641 5 4 55 6 5 55 7 3 70 8 4 70 9 5 70
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của kΣ vào tốc độ và dòng nhiệt
Bảng 2 Kết quả thí nghiệm cho bộ trao đổi nhiệt dạng tấm có cánh -
Nhiệt độ môi trường tf = …………….. STT ω [V]
Q [W] tw [oC] ∆t = tw - tf [oC] kΣ [W/K] 1 3 40 2 4 40 3 5 40 4 3 55 5 4 55 lOMoAR cPSD| 59703641 6 5 55 7 3 70 8 4 70 9 5 70
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của kΣ vào tốc độ và dòng nhiệt Nhận xét:
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………