Báo Cáo Thực Hành Môn CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Họ và tên Lớp MSSV Nhóm Ngày thực hành GVHD BÀI 6 THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG 6 1 Cơ sở lý thuyết Quá trình trao đổi nhiệt giữa.
Báo Cáo Thực Hành Mơn: CÁC Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CƠNG NGHỆ HĨA HỌC Họ tên: Lớp MSSV: Nhóm: Ngày thực hành GVHD: BÀI 6: THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG 6.1 Cơ sở lý thuyết - Q trình trao đổi nhiệt dịng lưu chất qua bề mặt ngăn cách thường gặp lĩnh vực cơng nghiệp hóa chất, thực phẩm, hóa chất,… Trong nhiệt lượng dịng nóng tỏa dịng lạnh thu vào Mục đích q trình nhằm thực gian đoạn quy trình cơng nghệ, đun nóng, làm nguội, ngưng tụ hay bốc Tùy thuộc vào chất q trình mà ta bố trí phân bố dòng cho giảm tổn thất, tăng hiệu suất trinh - Hiệu suất trình trao đổi nhiệt cao hay thấp tùy thuộc vào cách ta bố trí thiết bị, điều khiển hoạt động,… Trong đó, chiều chuyển động dịng có ý nghĩa quan trọng - Cân lượng cho dòng trao đổi nhiệt gián tiếp: Nhiệt lượng dơng nóng tỏa �� = �� �� ∆�� - Nhiệt lượng dòng lạnh thu vào �� = �� �� ∆�� - Nhiệt lượng tổn thất (Phần nhiệt lượng mà dịng nóng tỏa dịng lạnh khơng thu vào trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh): �� = �� − �� - Cân nhiệt lượng: �� = �� + �� - Măt khác nhiệt lượng trao đổi tính theo cơng thức: � = � � ∆���� - Từ (6.5) ta thấy nhiệt lượng trao đổi phụ thuộc vào kích thước thiết bị F, cách bố trí dòng ∆���� Do thiết bị phần cứng ta khó thay đổi nên xem nhiệt lượng trao đổi trường hợp phụ thuộc vào cách bố trí dịng chảy - Ta có cách bố trí sau - Chảy xi chiều: Lưu thể chảy song song chiều với - Chảy ngược chiều: Lưu thể chảy song song ngược chiều - Chảy chéo dòng: Lưu thể lưu thể chảy theo phương vng góc - Chảy hỗn hợp: lưu thể chảy theo hướng cịn lưu thể có đoạn chảy chiều có đoạn chảy ngược chiều có đoạn chảy theo dịng - Tùy vào cách bố trí mà ta có phương pháp xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích logarit ∆Tlog khác ∆Tlog = Trường hợp chảy ngược chiều - Xét trường hợp hai lưu thể chảy ngược chiều dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độ lưu thể nóng giảm, nhiệt độ lưu thể nguội tăng biểu diễn giản đồ sau ∆�1 = ��� − ��� ∆�2 = ��� − ��� Nếu ∆�1 > ∆�2⇒ ∆���� = ∆�1 ∆���� = ∆�2 Nếu ∆�1 < ∆�2 ⇒ ∆���� = ∆�2 ∆���� = ∆�1 - Trường hợp hai lưu thể chảy xuôi chiều - Xét trường hợp hai lưu thể chảy xuôi dọc bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độ lưu thể nóng giảm, nhiệt độ lưu thể lạnh tăng biểu diễn giản đồ sau ∆���� = ∆�1 = ��� − ��� ∆���� = ∆�2 = ��� − ��� - Nếu trình truyền nhiệt tỉ số ∆����/∆����< hiệu số nhiệt độ trung binh ∆���� tính gần cơng thức sau: ∆����= - Hiệu suất nhiệt độ q trình truyền nhiệt dịng nóng dịng lạnh lần lượt: - Hiệu suất nhiệt độ hữu ích trình thiết bị: - Hiệu suất trình truyền nhiệt: - Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm: Trong đó: F = π ��� � ��� =(��+��)/2 : đường kính trung bình ống truyền nhiệt, m 6.2 Mục đích thí nghiệm - Sinh viên biết vận hành thiết bị truyền nhiệt, hiểu nguyên lý đóng mở van điều chỉnh lưu lượng, hướng dịng chảy, biết cố xảy cách xử lý tình - Khảo sát trình truyền nhiệt đun nóng làm nguội gián tiếp dịng qua bề mặt ngăn cách ống xoắn - Tính tốn hiệu xuất tồn phần dựa vào cân nhiệt lượng lưu lượng dòng khác - Khảo sát ảnh hưởng chiều chuyển động lên trình truyền nhiệt trường hợp xi chiều ngược chiều - Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN thiết bị từ so sánh với kết tính tốn theo lý thuyết KLT 6.3 Trang thiết bị hóa chất 6.4 Tiến hành thí nghiệm Thí nghiệm 1: khảo sát trường hợp xuôi chiều thiết bị Chuẩn bị, cách tiến hành -Bước 1: Mở van cho nước vào khoảng 2⁄3 thể tích thùng nóng thùng lạnh - Bước 2: Mở công tắc tổng cấp nguồn cho tủ điện, mở công tắc điện trở cài đặt nhiệt độ cho thùng nóng 74℃ - Bước 3: Điều chỉnh lưu lượng dịng nóng (tránh điều chỉnh nhiệt độ cao làm hư lưu lượng kế), sau mở van khóa van qua lưu lượng kế ��2 ��3 - Bước 4: Điều chỉnh đóng mở van để phù hợp với trường hợp chảy xi chiều - Bước 5: Đợi nước thùng nóng TN đạt đến nhiệt độ thích hợp tiến hành trao đổi nhiệt - Bước 6: Ghi lại thông số nhiệt độ dịng nóng, nhiệt độ dịng lạnh, lưu lượng dịng nóng, lưu lượng dịng lạnh q trình trao đổi nhiệt Các lưu ý - Trước mở điện trở phải đảm bảo thùng có nước 2/3 thùng Trước mở bơm phải đảm bảo thùng chứa phải có nước Trước mở bơm phải đảm bảo hệ thống van phải phù hợp Khi mở bơm khởi động phải mở van hoàn lưu Khi điều chỉnh lưu lượng cần điều chỉnh lưu lượng dòng nóng trước điều chỉnh xong cho dịng nóng qua nhánh phụ sau tắt bơm nóng Tiếp theo điều chỉnh lưu lượng - dòng lạnh, điều chỉnh xong mở bơm nóng Nhiệt độ đầu vào thí nghiệm phải giống Báo cáo - Xác định nhiệt lượng dịng nóng tỏa ra, lanh thu vào nhiệt lượng tổn thất Xác định so sánh hiệu số nhiệt độ dòng hiệu suất nhiệt độ Xác định hiêu suất trình truyền nhiệt Xác định hệ số truyền nhiệt theo lý thuyết Vẽ đồ thị biểu diễn hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN thiết bị từ so sánh với kết tính tốn theo lý thuyết KTN trường hợp xi chiều Kết thí nghiệm Kết khảo sát xi chiều thiết bị Thí Vn Vl Tnv TNR TLR TLV nghiệm 69,6 57,9 44,5 30,5 68,7 57,6 42,5 30,5 10 67,5 57,6 42,5 30,5 12 66,4 51,9 40,2 30,5 14 65,3 51,6 40,7 30,5 16 64,4 51 41,4 30,5 63,7 55,9 46,4 30,5 8 63,6 54,6 46 30,5 10 63,3 54,3 45,7 30,5 12 62,9 54 46,2 30,5 11 14 62,7 54 46,7 30,5 12 16 62,4 54 46,7 30,5 13 62,7 57,1 49,7 30,5 14 63,4 57,2 49,6 30,5 15 10 63,7 57,3 50 30,5 12 63,9 57,3 50,4 30,5 17 14 64 57,4 50,5 30,5 18 16 64,1 57,6 51,2 30,5 64,6 59,5 53,4 30,5 20 65,2 59,8 53,4 30,5 21 10 65,7 59,9 53,6 30,5 22 12 65,9 60 54,1 30,5 23 14 66,2 60,1 54,3 30,5 10 16 19 10 12 14 24 16 66,1 59,6 51,9 30,5 TNV (oC) TNR (oC) TLR (oC) TLV (oC) 62,4 54 46,7 30,5 Tính tốn - Chọn mẫu: VN VL (L/P) (L/P) 10 16 Ta có: ∆Tmax = TNv – TLv = 62,4- 30,5 = 31,9 (oC) ∆Tmin = TNr – TLr = 54 - 46,7 = 7,3 (oC) Tra bảng 1.249 (trang 310) : sổ tay QTTB T.1 ta có bảng sau: Bảng 6.3 Khối lượng riêng độ nhớt nước thay đổi theo nhiệt độ (oC) Khối lượng riêng ρ (Kg/m3) Độ nhớt υ × 106 Nhiệt dung riêng Cp Hệ số dẫn nhiệt λ×102 (m2/s) (kJ/kg.độ) (W/m.độ) 20 998 1.01 4.19 59.9 1,82 30 996 0.81 4.18 61.8 3,21 40 992 0.66 4.18 63.5 3,87 50 988 0.556 4.18 64.8 4,49 60 983 0.478 4.18 65.9 5,11 Nhiệt độ T - Nhiệt độ trung bình dịng nóng dịng lạnh là: Hệ số ×103 TNtb = = 58,2 (oC) TLtb = = 38,6 (oC) - Nhiệt lượng dịng nóng tỏa ra: 4186.8,4=5764,29 (W) - Nhiệt lượng dòng lạnh thu vào: 4186.16,2=17896,53 (W) -Nhiệt lượng tổn thất - Hiệu suất nhiệt độ trình truyền nhiệt dịng nóng: - Hiệu suất nhiệt độ q trình truyền nhiệt dịng lạnh: - Hiệu suất nhiệt độ hữu ích q trình truyền nhiệt: - Hiệu suất trình truyền nhiệt: - Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm: Diện tích bề mặt truyền nhiệt là: F = π×dtb×L×n = π.L.n - (Với di, d0, L,n lấy theo bảng 6.1) Vậy hệ số truyền nhiệt là: KTN = = = 1957,9 (W/m2.độ) Hệ số truyền nhiệt lý thuyết: KLT = 12 66,7 51,9 47,8 30,5 14 65,8 51,6 48,4 30,5 16 64,8 51,5 48,7 30,5 66,3 57 51,2 30,5 8 65,8 55,3 48,5 30,5 10 69 54,4 46,3 30,5 12 67,3 53,8 47,7 30,5 11 14 65,9 52,9 49 30,5 12 16 64,7 52,2 46,8 30,5 13 68,9 59,6 55,5 30,5 14 67,9 57,3 47,2 30,5 10 66,6 56,5 47,5 30,5 12 65,6 55,8 47,8 30,5 17 14 64,5 55,5 48,6 30,5 18 16 62,7 52,6 43,9 30,5 19 61,1 53,1 46,5 30,5 20 60,5 52 43,7 30,5 10 59,4 50,5 41,1 30,5 12 57,5 49 39,9 30,5 23 14 56,5 49,6 39,2 30,5 24 16 54,4 46,2 39,3 30,5 10 15 16 21 22 10 12 14 Tính tốn Tính tốn tương tự xi chiều, thay: max = TNR – TLV = TNV – TLR Kết tính tốn Tính tốn - Chọn mẫu: VN VL (L/P) (L/P) 10 16 TNV (oC) TNR (oC) TLR (oC) TLV (oC) 64,7 52,2 46,8 30,5 Ta có: ∆Tmax = TNr – TLv = 52,2 - 30,5 = 21,7 (oC) ∆Tmin = TNv – TLr = 64,7 - 46,8 = 17,9 (oC) Tra bảng 1.249 (trang 310) : sổ tay QTTB T.1 ta có bảng sau: Bảng 6.3 Khối lượng riêng độ nhớt nước thay đổi theo nhiệt độ (oC) Khối lượng riêng ρ (Kg/m3) Độ nhớt υ × 106 Nhiệt dung riêng Cp Hệ số dẫn nhiệt λ×102 (m2/s) (kJ/kg.độ) (W/m.độ) 20 998 1.01 4.19 59.9 1,82 30 996 0.81 4.18 61.8 3,21 40 992 0.66 4.18 63.5 3,87 50 988 0.556 4.18 64.8 4,49 60 983 0.478 4.18 65.9 5,11 Nhiệt độ T - Nhiệt độ trung bình dịng nóng dòng lạnh là: TNtb = = 58,45 (oC) Hệ số ×103 TLtb = = 38,65 (oC) - Nhiệt lượng dịng nóng tỏa ra: 4186.12,5= (W) - Nhiệt lượng dịng lạnh thu vào: 4186.16,3= (W) -Nhiệt lượng tổn thất - Hiệu suất nhiệt độ trình truyền nhiệt dịng nóng: - Hiệu suất nhiệt độ q trình truyền nhiệt dòng lạnh: - Hiệu suất nhiệt độ hữu ích q trình truyền nhiệt: - Hiệu suất trình truyền nhiệt: - Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm: Diện tích bề mặt truyền nhiệt là: F = π×dtb×L×n = π.L.n - (Với di, d0, L,n lấy theo bảng 6.1) Vậy hệ số truyền nhiệt là: KTN = = = 1199,25 (W/m2.độ) Hệ số truyền nhiệt lý thuyết: KLT = Ta có: Xác định dịng nóng Chuẩn số Reynolds Chuẩn số Prandtl Pr = Chuẩn số Nusselt Vì Re = > 10000 => dịng chảy xốy (chảy rối) Ta có cơng thức tính Nusselt sau: Nu = 0,021×εk×Re0.8×Pr0.43 (với εk = = 1) = 0,021×1×0.8×2,9070.43 = 211,07 Vậy hệ số cấp nhiệt α1 là: α1 = 15266,16 (W/m2.độ) Xác định α2 dòng lạnh Chuẩn số Reynolds Re = - Đường kính tương đương - Vận tốc dòng lạnh Chuẩn số Prandtl Pr = Chuẩn số Grashoff Chuẩn số Nusselt Vì Re = < 2300 lưu thể chảy dịng Ta có cơng thức tính Nusselt sau: Nu = 0,15×εk×Re0,33×Pr0.43× Gr0,4 (với εk = = 1) = 0,15×1×0.8×0.43× 1044979,6520,4 = Vậy hệ số cấp nhiệt α2 là: α2 = (W/m2.độ) Vậy hệ số truyền nhiệt lý thuyết là: KLT = = = 7242,43 (W/m2.độ) với = = = 1(mm) = 0,001(m) Kết tính tốn Bảng kết tính tốn hiệu suất nhiệt độ VN 10 VL ∆TN ∆TL ηN ηL ηhi 13,2 31,1 167,1 393,7 280,4 16,2 16,8 76,4 79,2 77,8 10 15,2 17,2 76,8 86,9 81,85 12 14,8 17,3 78,3 91,5 84,9 14 14,2 17,9 81,6 102,9 92,25 16 13,3 18,2 82,6 113 97,8 9,3 20,7 61,6 137,1 99,35 10,5 18 60,7 104 82,35 10 14,6 15,8 64,3 69,6 66,95 12 14 12 13,5 17,2 68,9 87,8 78,35 14 13 18,5 76,9 109,5 93,2 16 12,5 16,3 69,8 91,1 80,45 9,3 25 69,4 186,6 128 10,6 16,7 51,2 80,7 65,95 10 10,1 17 52,9 89 70,95 12 9,8 17,3 55,1 97,2 76,15 14 18,1 56,6 113,8 85,2 16 10,1 13,4 53,7 71,3 62,5 16 54,8 109,6 82,2 8,5 13,2 50,6 78,6 64,6 10 8,9 10,6 48,6 57,9 53,25 12 8,5 9,4 48,3 53,4 50,85 14 6,9 8,7 39,9 50,3 45,1 16 8,2 8,8 54,3 58,3 56,3 Bảng kết tính tốn hiệu suất truyền nhiệt VN 10 12 14 VL GN GL QN QL Qf η 0,00176 0,00415 463,407 799,976 -336,569 172,629 0,00216 0,00224 546,122 364,751 181,371 66,789 10 0,00203 0,00229 509,005 374,81 134,195 73,636 12 0,00197 0,00231 489,013 378,567 110,446 77,415 14 0,00189 0,00239 464,407 394,679 69,728 84,986 16 0,00177 0,00243 430,846 402,81 28,036 93,493 0,00124 0,00276 320,003 471,955 -151,952 147,485 0,0014 0,0024 354,847 396,833 -41,986 111,832 10 0,00195 0,00211 503,639 339,166 164,473 67,343 12 0,0018 0,00229 456,232 374,81 81,422 82,153 14 0,00173 0,00247 430,162 410,992 19,17 95,544 16 0,00167 0,00217 408,602 351,082 57,52 85,923 0,00124 0,00333 333,499 599,393 -265,894 179,729 0,00141 0,00223 369,481 362,656 6,825 98,153 10 0,00135 0,00227 347,825 370,587 -22,762 106,544 12 0,00131 0,00231 332,858 378,567 -45,709 113,732 14 0,0012 0,00241 301,392 398,991 -97,599 132,383 16 0,00135 0,00179 325,786 278,737 47,049 85,558 0,00107 0,00213 255,752 343,273 -87,521 134,221 0,00113 0,00176 266,073 273,329 -7,256 102,727 10 0,00119 0,00141 273,725 211,301 62,424 77,195 12 0,00113 0,00125 251,882 184,184 67,698 73,123 14 0,00092 0,00116 204,302 169,223 35,079 82,83 16 0,00109 0,00117 229,506 170,927 58,579 74,476 Bảng kết tính tốn hệ số truyền nhiệt VL 10 12 14 16 10 12 14 16 QN 463,40 546,12 509,00 489,01 464,40 430,84 320,003 354,84 503,63 456,23 430,16 408,60 ∆tlog α1 α2 15,124 13088,65 59286,654 21,499 12815,07 60694,046 20,784 12850,75 65254,475 20,124 12685,71 1215,538 19,191 12738,44 1397,889 18,442 12785,22 1574,031 20,268 15494,6 50751,22 20,825 15319,45 62057,131 23,295 15490,19 63718,703 21,397 15319,45 1218,832 19,521 15426,89 1407,584 19,739 15266,16 1564,04 KTN KLT 87,544 6648,4 72,578 6594,04 69,972 6654,07 69,429 1043,13 69,141 1175,07 66,749 1297,57 45,11 7072,86 48,684 7218,47 61,772 7278,35 60,921 1060,58 62,96 1201,34 59,144 1312,31 10 12 14 16 10 12 14 16 333,49 369,48 347,82 332,85 301,39 325,78 255,75 266,07 273,72 251,88 204,30 229,50 20,245 18291,81 53689,559 23,619 18131,38 60548,706 22,373 17918,85 64074,899 21,331 17693,4 1217,186 20,108 17759,32 1410,042 20,406 17447,84 1541,205 18,31 19805,16 47278,551 19,053 19595,34 56700,785 19,137 19441,55 58183,031 18,046 19339,49 59103,012 18,185 19362,5 1318,256 15,398 18802,86 1495,913 Đồ thị 47,066 7666,49 44,695 7763,28 44,419 7778,67 44,584 1069,26 42,825 1215,58 45,615 1310,1 39,908 7764,82 39,9 7948,38 40,867 7951,26 39,879 7951,01 32,099 1152,91 42,585 1284 Đồ thị biểu diễn Ktn 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 15 20 25 30 Đồ thị biểu diễn Klt 10000 8000 6000 4000 2000 0 10 15 20 25 30 Nhận xét - Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm lớn hệ số truyền nhiệt lý thuyết - Lưu lượng dịng nóng thay đổi dẫn đến nhiệt lượng dịng nóng thay đổi Do đó, hệ số truyền nhiệt thực nghiệm thay đổi theo lưu lượng - Hệ số truyền nhiệt lý thay đổi lần thí nghiệm trường hợp xi chiều hệ số cấp nhiệt dòng lạnh thay đổi Còn trường hợp ngược chiều, tăng dần theo số lần thí nghiệm - Ở trường hợp ngược chiều, lượng nhiệt thất thoát có giá trị âm đầu dị nhiệt độ hiển thị chưa người thao tác Cũng lý mà làm cho hiệu suất truyền nhiệt có lúc lớn 100% Tài liệu tham khảo [1] Phạm Xuân Toản, Quá trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm, tập 3: Quá trình thiết bị truyền nhiệt, NXH Khoa học kỹ thuật, 2008 [2] Phạm Văn Bơn, Q trình thiết bị cơng nghệ hóa học thực phẩm, Bài tập truyền nhiệt, NXH ĐH Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh, 2004 [3] Tập thể tác giả, Bảng tra cứu trình học truyền nhiệt – truyền khối: Quá trình thiết bị cơng nghệ hóa học thực phẩm, NXH ĐH Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh, 2012 ... Toản, Quá trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm, tập 3: Q trình thiết bị truyền nhiệt, NXH Khoa học kỹ thuật, 2008 [2] Phạm Văn Bơn, Q trình thiết bị cơng nghệ hóa học thực phẩm, Bài tập... nhiệt lượng dịng nóng tỏa dịng lạnh thu vào Mục đích q trình nhằm thực gian đoạn quy trình cơng nghệ, đun nóng, làm nguội, ngưng tụ hay bốc Tùy thuộc vào chất trình mà ta bố trí phân bố dịng cho... nóng dịng lạnh lần lượt: - Hiệu suất nhiệt độ hữu ích q trình thiết bị: - Hiệu suất trình truyền nhiệt: - Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm: Trong đó: F = π ��� � ��� =(��+��)/2 : đường