KỸ THUẬT THỰC PHẨM 2 báo cáo THỰC HÀNH THIẾT bị TRUYỀN NHIỆT vỏ ỐNG

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ HỐ HỌC KỸ THUẬT THỰC PHẨM BÁO CÁO THỰC HÀNH THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG THIÊN THANH TRÚC Tóm tắt Quá trình khảo sát ảnh hưởng chiều chuyển động lưu chất lên q trình truyền nhiệt xi chiều ngược chiều lên trình truyền nhiệt vỏ ống với dạng ống xoắn Quá trình thực nghiệm xử lý kết nhằm xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN thiết bị so sánh với kết tính tốn theo lý thuyết KLT Hệ số truyền nhiệt lý thuyết KLT xác định thông qua chế độ dịng chảy chuẩn sốđể tìm hệ số cấp nhiệt dịng nóng dịng lạnh Đồng thời tính nhiệt lượng dịng nóng tỏa ra, dịng lạnh thu vào, hiệu suất trình truyền nhiệt từ rút nhận xét xem chế độ chảy mang lại hiệu truyền nhiệt tốt Giới thiệu Trong công nghiệp đặc biệt lĩnh vực cơng nghệ hóa học, thực phẩm mơi trường biến đổi vật chất luôn kèm theo tỏa nhiệt hay thu nhiệt cần phải có nguồi thu lượng nhiệt (thiết bị làm lạnh hay ngưng tụ) hay nguồn tỏa nhiệt (thiết bị gia nhiệt, đun sơi) Q trình truyền nhiệt phân biệt thành trình truyền nhiệt ổn định trình truyền nhiệt khơng ổn định Q trình truyền nhiệt ổn định q trình mà nhiệt độ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian Q trình truyền nhiệt khơng ổn định q trình mà nhiệt độ thay đổi theo khơng gian thời gian Q trình truyền nhiệt khơng ổn định thường xảy thiết bị làm việc gián đoạn giai đoạn đầu cuối q trình liên tục Cịn q trình truyền nhiệt ổn định thường xảy thiết bị làm việc liên tục Trong thực tế thiết bị truyền nhiệt thường làm việc chế độ liên tục, việc nghiên cứu q trình truyền nhiệt khơng ổn định nhằm mục đích điếu khiển q trình khơng ổn định để đưa trạng thái ổn định, lý thuyết truyền nhiệt không ổn định phức tạp Do đó, chương trình xét đến trình truyền nhiệt ổn định Quá trình truyền nhiệt trình chiều, nghĩa nhiệt lượng truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp truyền từ vật sang vật khác hay từ không gian sang không gian khác thường theo phương thức cụ thể THIÊN THANH TRÚC tổ hợp nhiều phương thức (truyền nhiệt phức tạp) Các phương thức truyền nhiệt gồm dẫn nhiệt đối lưu, xạ Trong thực hành tiếp cận thiết bị truyền nhiệt loại vỏ ống, trình truyền nhiệt xem truyền nhiệt biến nhiệt ổn định Mục đích thí nghiệm Sinh viên biết vận hành thiết bị truyền nhiệt, hiểu nguyên lý đóng mở van để điều chỉnh lưu lượng hướng dịng chảy, biết cố xảy cách sử lý tình Khảo sát trình truyền nhiệt đun nóng làm nguội gián tiếp dòng qua bề mặt ngăn cách ống lồng ống, ống chùm ống xoắn… Tính tốn hiệu suất toàn phần dựa vào cân nhiệt lượng lưu lượng dòng khác Khảo sát ảnh hưởng chiều chuyển động lên trình truyền nhiệt lên trường hợp xuôi 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 Cơ sở lý thuyết: Qúa trình trao đổi nhiệt dịng lưu chất qua bề mặt ngăn cách thường gặp lĩnh vực cơng nghiệp hóa chất, thực phẩm, hóa dầu,… Trong nhiệt lượng dịng nóng tỏa dịng lạnh thu vào Mục đích q trình nhằm thực giai đoạn qui trình cơng nghệ, llà đun nóng, làm nguội, ngưng tụ hay bốc hơi,… Tùy thuộc vào chất q trình mà ta bố trí phân bố dòng cho giảm tổn thất, tang hiệu suất trình - Hiệu suất trình trao đổi nhiệt cao hay thấp tùy thuộc vào cách ta bố trí thiết bị, điều kiện hoạt động,… Trong đó, chiều chuyển động dịng có ý nghĩa quan trọng - Cân lượng dòng lỏng trao đổi nhiệt gian tiếp: Nhiệt lượng dịng nóng tỏa ra: QN=GN.CN.ΔTN (6.1) THIÊN THANH TRÚC - Nhiệt lượng dòng lạnh thu vào: QL=GL.C L.ΔTL (6.2) - Nhiệt lượng tổn thất (phần nhiệt lượng mà dịng nóng tỏa dịng lạnh khơng thu vào trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh): Qf=QN-QL (6.3) - Cân nhiệt lượng: QN=QL+Qf (6.4) Mặt khác nhiệt lượng trao đổi tính theo cơng thức: Q= K F Δtlog (6.5) Từ (6.5) ta thấy nhiệt lượng trao đổi phụ thuộc vào kích thước thiết bị F, cách bố trí dịng Δ tlog 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 với Chảy chéo dòng: lưu thể lưu thể chảy theo phương vng góc THIÊN THANH TRÚC - Chảy hỗn hợp: lưu thể chảy theo hướng cịn lưu thể có đoạn chảy chiều có đoạn chạy ngược chiều có đoạn chảy chéo dịng Tùy vào cách bố trí mà ta có phương pháp xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích logarit Δt log khác 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 THIÊN THANH TRÚC Trường hợp hai lưu thể chảy xuôi chiều Xét trường hợp hai lưu thể chảy xuôi chiều dọc bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độ lưu thể nóng giảm, nhiệt độ lưu thể ngội tăng biểu diễn giản đồ sau Hiệu suất nhiệt độ q trình truyền nhiệt dịng nóng dòng lạnh là: THIÊN THANH TRÚC Hiệu suất nhiệt độ hữu ích q trình truyền nhiệt: Hiệu suất trình truyền nhiệt Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm Xác định hệ số truyền nhiệt theo lý thuyết 5Mơ hình thí nghiệm 5.1 Sơ đồ hệ thống 5.1.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt loại ống chùm THIÊN THANH TRÚC 5.1.2 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt loại ống xoắn THIÊN THANH TRÚC - Hai mơ hình có cấu tạo giống nên giới thiệu chung - Hệ thống khảo sát gồm loại thiết bị chính: + Thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm (xoắn TB2) có vỏ ngồi thủy tinh TB1 + Thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm (xoắn TB1) có vỏ ngồi kim loại TB2 - Hệ thống thí nghiệm gồm thùng chứa nước nóng TN (thùng nóng) nước lạnh TL (thùng lạnh) nối với bơm tương ứng bơm nóng B, vả bơm lạnh B để dẫn dịng nóng lạnh vào thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm qua thiết bị đo lưu lượng loại rotamet - Sự phân bổ dòng lưu chất vào thiết bị điều chỉnh qua hệ thống van VL VNj, ( i = 1÷9 , j = 1÷7 )> Lưu lượng dịng nóng dịng lạnh điều chỉnh nhờ van VN VL - Nhiệt độ đầu vào dòng xác định nhờ đầu cảm biến độ cặp nhiệt điện loại K truyền tín hiệu tủ điều khiển hiển thị đồng hồ hiển thị RTC - Nước thùng chứa nước nóng gia nhiệt nhờ điện trở 3KW có kết nối với điều khiển ON/OF tủ điều khiển để khống chế nhiệt độ thùng chứa theo yêu cầu thí nghiệm Chú ý: Đối với van VL VN đóng phải đóng hồn tồn, mở phải mở hồn tồn THIÊN THANH TRÚC - Hệ thồng tủ điện bao gồm: + Đèn báo sáng có điện vào tủ điều khiển + Cơng tắc tổng (có đèn báo sáng mở) + Nút nhấn mở (màu xanh) nút nhấn tắt (màu đỏ) bơm nóng, bơm lạnh + Cơng tắt điện trở + Nút dừng khẩn cấp (nhấn vào có cố, xoay theo chiều kim đồng hồ cần mở) + Đồng hồ hiển thị nhiệt độ dịng nóng T1, T3, T5, T7 + Đồng hồ hiển thị nhiệt độ dòng lạnh T2, T4, T6, T8 + Bộ cài đặt nhiệt độ thùng nóng T9 5.1.3 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt loại ống lồng ống THIÊN THANH TRÚC Trước mở bơm phải đảm bảo hệ thống van phải phù hợp (nghĩa phải có dịng chảy), tránh trường hợp mở bơm mà khơng có dịng chảy (nghĩa van đóng mở sai) gặp tượng sau: Lưu lượng kế không thấy hoạt động Tiếng kêu động lớn bình thường Bung số khớp nối mềm Xì nước roăn mặt bích Có khả hỏng bơm (bốc mùi khét) Gặp trường hợp vậy tắt bơm kiểm tra lại hệ thống van Trước mở điện trở phải đảm bảo thùng có nước điều quan trọng bật điện trở mà khơng có nước thùng cần 1-3 phút điện trở hỏng Phải xác định vị trí đầu dị nhiệt độ, quan trọng nhiệt độ nóng vào nóng ra, lạnh vào, lạnh việc đánh số đàu dị khơng khớp mơ hình sinh viên dùng phán đốn Khi mở bơm khởi động phải mở van hoàn lưu Khi vận hành thức dịng chảy qua nhánh phụ khơng qua lưu lượng kế 6.2.1.2 Tiến hành Mở điện trở đun nước thùng nóng đạt nhiệt độ từ 75-85 oC tiến hành thí nghiệm Mở van điều chỉnh van cho phù hợp sau mở bơm nóng điều chỉnh dịng nóng đến lưu lượng cần thiết điều chỉnh lưu lượng qua dịng nóng Tắt bơm nóng mở bơm lạnh điều chỉnh lưu lượng, sau mở bơm nóng Đợi khoảng phút tiến hành ghi số liệu 6.2.1.3 Các lưu ý Trước mở điện trở phải đảm bảo thùng phải 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 THIÊN THANH TRÚC Khi điều chỉnh lưu lượng cần điều chỉnh lưu lượng dịng nóng trước vàm điều chỉnh xong dịng nóng qua nhánh phụ sau dó tắt bơm nóng Tiếp theo điều chỉnh lưu lượng dịng lạnh, điều chỉnh xong mở bơm nóng Nhiệt độ đầu vào thí nghiệm phải giống 6.2.1.4 Báo cáo Xác định nhiệt lượng dịng nóng tỏ ra, lạnh thu vào nhiệt lượng tổn thất Xác định so sánh hiệu số nhiệt độ dòng hiệu suất nhiệt độ Xác định hiệu số trình truyền nhiệt Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm Xác định hệ sô truyền nhiệt theo lý thuyết Vẽ đồ thị biểu diễn hệ số truyền nhiệt thực nghiệm K TN thiết bị từ so sánh với kết tính tốn theo lý thuyết KLT trường hợp xi chiều 6.3Thí nghiệm 2: Khảo sát trường hợp ngược chiều thiết bị 6.3.1 Chuẩn bị Giống thí nghiệm 6.3.2 Tiến hành Mở điện trở đun nước thùng nóng đạt nhiệt độ từ 75-85 oC tiến hành thí nghiệm Mở van điều chỉnh van cho phù hợp sau mở bơm nóng điều chỉnh dịng nóng đến lưu lượng cần thiết điều chỉnh lưu lượng qua dịng nóng Tắt bơm nóng mở bơm lạnh điều chỉnh lưu lượng, sau mở bơm nóng Đợi khoảng phút tiến hành ghi số liệu 6.3.3 Các lưu ý Giống nghiệm 6.4.4 Báo cáo Xác định nhiệt lượng dịng nóng tỏ ra, lạnh thu vào nhiệt lượng tổn thất Xác định so sánh hiệu số nhiệt độ dòng hiệu suất nhiệt độ THIÊN THANH TRÚC Xác định hiệu số trình truyền nhiệt Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm Xác định hệ sô truyền nhiệt theo lý thuyết Vẽ đồ thị biểu diễn hệ số truyền nhiệt thực nghiệm K TN thiết bị từ so sánh với kết tính tốn theo lý thuyết KLT trường hợp ngược chiều so sánh với thí nghiệm Tượng tự khảo sát thiết bị TB2 mơ hình ống chum ống xoắn tháo lắp thiết bị khác mơ hình thiết bị ống lồng ống Kết bàn luận Thí nghiệm 1: Khảo sát trường hợp xuôi chiều thiết bị STT (LPM) 4 4 12 14 Thí nghiệm 2: Khảo sát trường hợp ngược chiều thiết bị STT (LPM) 4 THIÊN THANH TRÚC 2 4 12 16 7.1 Xử lí số liệu t (kg/) C 10 100 100 20 30 998 996 40 992 50 60 988 983 70 978 GN , đổi từ lưu lượng thể tích sang lưu lượng khối lượng: − Lưu lượng khối lượng dịng nóng: � �= �� � � = 983,175�4 10−4 = 0.065(��/�) −Nhiệt dịng nóng tỏa =0.065*29.9*4179.65=8191.26 (W) Nhiệt lượng dòng lạnh thu vào =0.066*3.5*4180=971,02 (W) Nhiệt tổn thất = 8191.26-971.02=7220.24 (W) Nhiệt lượng trao đổi tính theo cơng thức THIÊN THANH TRÚC 1790 1310 1000 804 657 549 470 406 Hiệu suất nhiệt độ trình truyền nhiệt dịng nóng dịng lạnh: Hiệu suất nhiệt độ hữu ích Hiệu suất q trình truyền nhiệt = =11.85% Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm Trong đó: (m) Tính hệ số cấp nhiệt (dịng nóng) Trong vận tốc dịng nóng: (m/s) độ nhớt dịng nóng tra bảng Dựa vào chuẩn số Reynolds: Dịng chảy xốy: ( Re > 104 ) Nu = 0,021 Re0,8 Pr0,43 (đơn giản cho ) Tra bảng: Chuẩn số Prandtl, =1.232 Hệ số hiểu chình phụ thuộc vào giá trị Re = Tính chuẩn số Nusselt: Nu = 0.17.1.23270.8.1.60210.43.()0.25 = 87.897 = =13536.3(W/m2.) Tính hệ số cấp nhiệt dòng lạnh tương tự thay số dịng nóng dịng lạnh Dựa vào chuẩn số Reynolds: Trong vận tốc dịng lạnh: độ nhớt dịng nóng tra bảng, (m2/s) THIÊN THANH TRÚC Dựa vào chuẩn số Reynolds: Dòng chảy dòng: ( Re < 2300 ) Nu = 0,158 Re0,33 Pr0.43.Gr0,1 Tra bảng Chuẩn số Prandtl, 2.84 (W/m.K) Hệ số hiểu chình phụ thuộc vào giá trị Re = Chuẩn số Grashoff Với g= 9,81 m/s2 , l đường kính tương đương l=d td , hệ số giãn nở thể tính tính Tính chuẩn số Nusselt: Nu = (0,17.1.(3832.50.33).(2.84370.43).(4569.240.1)()0.25=8.0627 = (W/m2.) Xác định hệ truyền nhiệt lý thuyết 7.2 KẾT QUẢ TÍNH TỐN Thí nghiệm 1: Khảo sát trường hợp ngược chiều thiết bị Bảng nhiệt lượng dịng nóng tỏa ,lạnh thu vào nhiệt lượng tổn thất ∆TN GN (OC) (Kg/s) 20.8 0.1305 20.7 0.1306 22.6 0.1307 23.4 25.6 22.8 0.1308 0.1957 0.1956 22.4 0.1956 22.2 18.3 15.6 0.1956 0.2605 0.2604 14.6 0.2604 14 15.7 13.3 0.2604 0.3257 0.3255 THIÊN THANH TRÚC 12.3 11.7 VN Bảng xác định so sánh hiệu số nhiệt độ dòng hiệu suất nhiệt độ VL (LPM) (LPM) 12 16 12 16 12 16 12 16 12 16 VN VL (LPM) (LPM) 12 16 12 16 12 16 12 16 12 16 VN (LPM) Bảng xác định hiệu suất trình truyền nhiệt VL η(%) (LPM) 50.8069 95.8569 THIÊN THANH TRÚC 12 16 12 16 12 16 12 16 12 16 Dịng nóng Pr 2.6 2.6 2.7 2.8 2.5 2.5 2.5 2.5 2.4 2.2 2.2 2.2 2.3 2.2 2.2 2.2 Gr 140517.1 137204.9 141340.7 142482.4 178146.2 164117.99 160942.11 300024.9 262661.4 163418.4 152942.9 144396.5 153438.6 141147.66 131904.1 124816.4 THIÊN THANH TRÚC Thí nghiệm 2: Khảo sát trường hợp xuôi chiều thiết bị Bảng nhiệt lượng dịng nóng tỏa ,lạnh thu vào nhiệt lượng tổn thất ∆TN GN (OC) (Kg/s) 0,06554 0,06536 0,06536 0,06539 0,13030 0,13043 0,13038 0,13047 0,19536 0,19536 0,19539 0,19544 0,26040 0,26041 0,26043 0,26050 29,9 21,4 21,4 20,6 13,4 14,5 14,2 14,9 10,7 10,3 10,5 11 10 9,8 9,7 10,2 Xác định so sánh hiệu số nhiệt độ cá VL (LPM) VN (LPM) 4 12 16 12 16 12 THIÊN THANH TRÚC 12 16 12 16 14 VN (LPM) 12 14 10,3 10,5 11 10 9,8 9,7 10,2 VL Bảng QN (LPM) (W) 8191,25 5854,01 12 5854,01 16 5636,54 7318,64 7923,63 12 7758,11 16 8126,34 8737,89 8411,24 12 8575,88 16 12 8986,33 10884,7 10667,5 10559,5 16 11106,9 VN (LPM) Xác đị VL (LPM) 12 16 THIÊN THANH TRÚC 12 14 Pr 8 5 3 3 3 THIÊN THANH TRÚC 7.3 BIỂU ĐỒ Thí nghiệm 1: Khảo sát trường hợp ngược chiều thiết bị: 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Đồ thị biểu diễn hệ số truyền nhiệt KTN số truyền nhiệt lý thuyết KLT Thí nghiệm 2: Khảo sát trường hợp xuôi chiều thiết bị THIÊN THANH TRÚC 2500 2000 1500 1000 500 0 Đồ thị biểu diễn hệ số truyền nhiệt KTN hệ số truyền nhiệt lý thuyết KLT Kết luận: Ta đánh giá ảnh hưởng yếu tố qua hệ số truyền nhiệt Hệ số truyền nhiệt đặc trưng cho lượng nhiệt truyền từ lưu thể nóng tới lưu thể nguội qua 1m bề mặt tường phẳng đơn vị thời gian hiệu số chênh lệch nhiệt độ hai lưu thể độ Hệ số truyền nhiệt lớn lượng nhiệt mà lưu thể lạnh nhận từ lưu thể nóng tăng Nghĩa trình truyền nhiệt đạt hiệu (hiệu suất cao ) Bài thực hành có sai số nhiều yếu tố đầu dò nhiệt độ thiết bị khơng xác dẫn đến cách xác định nhiệt lượng tỏa dịng nóng hay thu vào dòng lạnh gặp nhiều sai số nhiệt độ khơng xác khơng ổn định từ Q L > QN , Một số thí nghiệm Qf mang giá trị âm trình truyền nhiệt từ dịng nóng sang dịng lạnh, nhiệt lượng bị mát hao tổn bên Lượng nhiệt tổn thất khơng thể đo xác Vì việc tính tốn khơng ổn định Từ sai số ta bỏ qua thông số phụ thuộc vào nhiệt độ mà đánh giá yếu tố quan trọng THIÊN THANH TRÚC ... 12 16 VN (LPM) Bảng xác định hiệu suất trình truyền nhiệt VL η(%) (LPM) 50.8069 95.8569 THIÊN THANH TRÚC 12 16 12 16 12 16 12 16 12 16 Dịng nóng Pr 2. 6 2. 6 2. 7 2. 8 2. 5 2. 5 2. 5 2. 5 2. 4 2. 2 2. 2... 2. 5 2. 4 2. 2 2. 2 2. 2 2. 3 2. 2 2. 2 2. 2 Gr 140517.1 13 720 4.9 141340.7 1 424 82. 4 178146 .2 164117.99 1609 42. 11 300 024 .9 26 2661.4 163418.4 1 529 42. 9 144396.5 153438.6 141147.66 131904.1 124 816.4 THIÊN THANH... dẫn nhiệt đối lưu, xạ Trong thực hành tiếp cận thiết bị truyền nhiệt loại vỏ ống, trình truyền nhiệt xem truyền nhiệt biến nhiệt ổn định Mục đích thí nghiệm Sinh viên biết vận hành thiết bị truyền