Báo cáo thí nghiệm: Xác định hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm môn Truyền nhiệt | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

BÀI 1: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ DẪN NHIỆT CỦA MỘT SỐ LOẠI CỦ, QUẢ
THỰC PHẨM BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGUỒN ĐƯỜNG
I. Mục đích thí nghiệm:
- Xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu bằng thí nghiệm minh họa quá trình dẫn
nhiệt không ổn đinh khi sử dụng nguồn đường.
II. Thiết bị thí nghiệm:
- Thiết bị 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.
Thiết bị thí nghiệm Thermtest TLS100 xác định hệ số dẫn nhiệt theo phương pháp nguồn đường.
III. Trình tự thí nghiệm:
1. 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.
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. Kết nối que thăm vào thiết bị sau đó nhấn nút màu đỏ để khởi động thiết bị.
4. Thiết đặt thời gian đo, tùy theo từng loại vật liệu.
5. 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. 1
6. Nhất nút xanh để tiến hành quá trình đo.
7. 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.
8. Vẽ lại sơ đồ, ghi chép các thông tin cần thiết để hoàn thành báo cáo thí nghiệm.
IV. Nguyên lý hoạt động:
- Sử dụng nguồn đường là một que thăm đưa vào vật cần đo, khi đó quá trình là dẫn
nhiệt không ổn định 1 chiều. Khảo sát sự biến thiên về nhiệt độ theo thời gian từ
đó xác định được hệ số dẫn nhiệt.
- Kết hợp phương pháp phân tích thành phần hóa học của vật liệu, sử dụng mô hình
song song và mô hình vuông góc để tính hệ số dẫn nhiệt của vật liệu thông qua hệ
số dẫn nhiệt của từng thành phần tạo nên vật liệu.
V. Xử lý kết quả thí nghiệm:
Nguồn nhiệt đường q = 10 W/m l
Bảng kết quả thực nghiệm Thời Nhiệt độ t, °C ln ( τ ) Thời Nhiệt độ t, °C ln ( τ ) gian τ,s gian τ,s Vật trụ Cà rốt Vật trụ Cà rốt 0 32,72 28,31 0 160 51,52 35,19 5,07517382 10 42,10 32,84 2,30258509 170 51,71 35,20 5,13579844 20 46,05 32,59 2,99573227 180 51,80 35,30 5,19295685 30 47,59 33,07 3,40119738 190 51,81 35,46 5,24702407 40 48,48 33,39 3,68887945 200 51,96 35,47 5,29831737 50 49,05 33,69 3,91202301 210 52,05 35,53 5,34710753 60 49,57 33,81 4,09434456 220 52,14 35,67 5,39362755 70 49,73 34,07 4,24849524 230 52,23 35,68 5,43807931 80 50,19 34,19 4,38202663 240 52,31 35,79 5,48063892 90 50,41 34,41 4,49980967 250 52,39 35,81 5,52146092 100 50,72 34,48 4,60517019 260 52,45 35,87 5,56068163 110 50,86 34,69 4,70048037 270 52,47 35,95 5,59842196 2 120 51,01 34,75 4,78749174 280 52,54 35,99 5,6347896 130 51,20 34,87 4,86753445 290 52,60 36,03 5,66988092 140 51,34 34,99 4,94164242 300 52,60 36,05 5,70378247 150 51,45 35,02 5,01063529
Từ bảng trên ta có đồ thị: 3
1. Xác định hệ số góc của phương trình phụ thuộc 𝑡 = 𝐶1𝑙𝑛(𝜏) + 𝐶2 Dựa vào đồ thị ta có:
- Vật trụ có 𝐶1 = 3,2469 - Cà rốt có 𝐶1 = 1,2837 ql
2. Xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu:λ= 4πC 1 10 W -Vật trụ có λ=
4 π×3,2469=0,245(mK ) 10 W -Cà rốt có λ=
4 π×1,2837=0,620(mK)
3. Xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu từ các thông số cấu tạo theo mô hình vuông góc và song song. 4 Từ bảng trên ta có Các thành phần Protein Fat Cabohydrate Fiber Ash Phần trăm ( % ) 1,03 0,19 10,14 3,00 0,87 Hệ số dẫn nhiệt 0,17881 0,18071 0,20141 0,18331 0,32962 (𝜆)
- Bằng mô hình vuông góc ta tính được: 𝜆 ¿ W -
Bằng mô hình song song ta tính được: 𝜆 =¿ 4. Nhận xét:
- Bằng tính toán lý thuyết sử dụng mô hình song song và mô hình vuông góc ta
xác định được hệ số dẫn nhiệt của Cà rốt nằm trong khoảng 0,03 đến 1,31 W/mK
- Xác định hệ số dẫn nhiệt của Cà rốt qua thực nghiệm và tính toán lý thuyết cho
ra kết quả 0,620W/mK nằm trong khoảng tính toán.
BÀI 2: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU TRONG KÊNH DẪN
I. Mục đích thí nghiệm:
- 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 II. Thiết bị thí nghiệm:
- 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. 5
Thiết bị thí nghiệm xác định mật độ dòng nhiệt truyền qua vách phẳng III.
Trình tự thí nghiệm:
1. Nghiên cứu lý thuyết về trao đổi nhiệt đối lưu.
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. Lắp bộ trao đổi nhiệt vào kênh dẫn.
4. Kết nối cảm biển nhiệt độ, vận tốc, sau đó gạt công tắc để khởi động thiết bị.
5. Khởi động quạt, nhấn nút đề cấp điện cho bộ gia nhiệt.
6. Điều khiển các mức công suất và mức quạt ứng với từng chế độ.
7. 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.
8. Tiếp tục thực hiện tương tự với công suất nhiệt và vận tốc khác nhau khác nhau.
9. Ghi chép các thông tin cần thiết để hoàn thành báo cáo thí nghiệm.
IV. Nguyên lý hoạt động:
- Nguồn nhiệt được cấp vào bề mặt trao đổi nhiệt dạng tấm phẳng đặt trong một
đường ống, khảo sát sự biến thiên về nhiệt độ của tấm phẳng dưới tác động của quạt (trao
đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức), so sánh với nhiệt độ ban đầu của môi trường từ đó đánh giá
hệ số trao đổi nhiệt. V. Xử lý kết quả thí nghiệm:
Bảng 1: Kết quả thí nghiệm cho bộ trao đổi nhiệt dạng tấm phẳng Nhiệt
độ môi trường tf =24,6℃
STT ω(V ) Q (W) tw(℃)
∆t=tw−tf (℃) k Σ (W/K) 6 1 4 40 55,2 30,6 1,30718954 2 5 40 46,2 21,6 1,85185185 3 6 40 44,2 19,6 2,04081633 4 7 40 42,7 18,1 2,20994475 5 8 40 42,6 18 2,22222222
ω(V ): vận tốc quạt. Q (W): dòng nhiệt.
tw(℃ ): nhiệt độ bề mặt trao đổi nhiệt.
∆t=tw−tf (℃ ): độ chênh nhiệt độ. k Σ
(W/K): cường độ trao đổi nhiệt.
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của k_Σ vào tốc độ và dòng nhiệt VI. Nhận xét:
- Khi cung cấp cùng một dòng nhiệt cho bề mặt trao đổi nhiệt, cường độ trao đổi
nhiệt năng lên khi tốc độ quạt (vận tốc dòng không khí tiếp xúc với bề mặt trao đổi
nhiệt) theo đồ thị tuyến tính.
BÀI 3: TRAO ĐỔI NHIỆT ĐỐI LƯU KHI SÔI
I. Mục đích thí nghiệm:
- Bằng thí nghiệm minh họa quá trình trao đổi nhiệt khi sôi trong không gian rộng
tìm hiểu các cơ chế sôi bọt, sôi màng và đánh giá sự ảnh hưởng của độ quá nhiệt
đến quá trình trao đổi nhiệt đối lưu.
II. Thiết bị thí nghiệm: 7 Thiết bị thí nghiệm : Dùng môi chất R141b.
Có 05 đầu cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ:
+ t1: nhiệt độ môi chất lỏng R141b
+ t2: nhiệt độ hơi môi chất R141b
+ t3: nhiệt độ nước lạnh vào
+ t4: nhiệt độ nước lạnh ra
+ t5: nhiệt độ bề mặt đốt nóng
01 đầu đo áp suất đo áp suất tuyệt đối trong bình
Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thiết bị thí nghiệm III.
Trình tự thí nghiệm:
1. Điều chỉnh điện năng tiêu thụ khoảng W và điều chỉnh lưu lượng nước cho tới khi
đạt tới áp suất mong muốn là 1,….. bar (tuyệt đối).
2. Ghi giá trị nguồn đốt nóng, áp suất hơi, nhiệt độ lỏng và nhiệt độ bề mặt đốt nóng.
3. Tăng lượng nhiệt lên các mức khác nhau với độ tăng 10 W/lần đo. Điều khiển lưu
lượng nước để áp suất duy trì ở mức mong muốn. Ghi giá trị nguồn đốt nóng, áp
suất hơi, nhiệt độ lỏng và nhiệt độ bề mặt đốt nóng khi hệ thống ổn định. 8
4. Kết thúc quá trình thí nghiệm Giảng viên hướng dẫn tạo chế độ sôi màng, sinh viên
theo dõi và xác định điều kiện nhiệt độ tới hạn.
5. Ghi chép các thông tin cần thiết để hoàn thành báo cáo thí nghiệm.
IV. Nguyên lý hoạt động:
- Thiết bị thí nghiệm chính gồm 1 buồng sôi chứa môi chất R141b, 1 đường cấp
nước vào ống giải nhiệt trong buồng sôi, một thanh điện trở chịu trách nhiệm cấp
nhiệt cho môi chất, các cặp nhiệt để đo nhiệt độ bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độ
nước vào và ra khỏi buồng sôi, nhiệt độ của môi chất trong buồng sôi.
- Khảo sát sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt vách và môi chất trong bình để vẽ đồ
thị mối liên hệ giữa độ chênh nhiệt độ và dòng nhiệt, từ đó liên hệ với hệ số trao
đổi nhiệt đối lưu. Khi cấp nhiệt Quá trình sôi bọt diễn ra làm tăng hệ số trao đổi
nhiệt đối lưu đến cực đại và giảm dần, lúc này chuyển qua quá trình sôi màng cho
các bọt khí lớn dần và cản trở quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt và môi trường
làm hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giảm. Khi các màng sôi đã hình thành hoàn thiện
trên toàn bộ mề mặt trao đổi nhiệt lúc này hệ số trao đổi nhiệt đối lưu bắt đầu tăng trở lại.
V. Xử lý kết quả thí nghiệm:Bảng kết quả đo: STT Q (W) tw(℃) ps (bar) ts(℃) tf (℃)
∆t=tw−tf (℃) k Σ (W/K) 1 10 42 1,04 32,85 32,5 9,15 1.09289617 2 20 44 1,05 33,14 32,9 10,86 1.84162063 3 30 46 1,07 33,71 33,6 12,29 2.44100895 4 40 48 1,07 33,71 33,7 14,29 2.79916025 5 50 50 1,08 33,91 33,8 16,09 3.1075202 6 60 51 1,08 33,91 34,1 17,09 3.51082504 7 70 53 1,09 34,25 34,1 18,75 3.73333333 8 80 53 1,1 34,5 34,7 18,5 4.32432432 9 90 54 1,11 34,75 34,8 19,25 4.67532468 Q (W): dòng nhiệt.
tw(℃): nhiệt độ bề mặt vách.
ps (bar): áp suất tuyệt đổi trong bình. 9
ts(℃): nhiệt độ bão hòa của môi chất (tra theo bảng bão hoà của R141b).
tf (℃): nhiệt độ môi chất trong bình. k Σ (W/K):
cường độ trao đổi nhiệt của bề mặt.
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa Q và Δt
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa k_Σ và ∆t 10 Nhận xét:
- Nhiệt độ bão hòa của môi chất R141b tra theo bảng so với nhiệt độ bề mặt tại thời
điểm sôi có sự chênh lệch, nhưng sự chênh lệch này không lớn do sai số cặp nhiệt
và điều kiện thí nghiệm.
- Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của dòng nhiệt và độ chênh nhiệt độ giữa môi chất
và bề mặt trao đổi nhiệt thể hiện môi chất khảo sát đang trong quá trình sôi bọt do
dòng nhiệt tăng khi độ chênh nhiệt độ tăng.
- Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ trao đổi nhiệt và độ chênh nhiệt độ
giữa môi chất và bề mặt trao đổi nhiệt thể hiện môi chất khảo sát đang trong quá
trình sôi bọt do dòng nhiệt tăng khi độ chênh nhiệt độ tăng. 11