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

Quá trình thực nghiệm và xử lý kết quả nhằm xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị và so sánh với kết quả được tính toán theo lý thuyết KLT.. Hệ số truyền nhiệt lý thuy

KỸ THUẬT THỰC PHẨM 2 BÁO CÁO THỰC HÀNH THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG

1 Tóm tắt

Quá trình khảo sát ảnh hưởng của chiều chuyển động lưu chất lên quá trình truyền nhiệt xuôi chiều và ngược chiều lên quá trình truyền nhiệt vỏ ống với dạng ống xoắn Quá trình thực nghiệm và xử lý kết quả nhằm xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị và so sánh với kết quả được tính toán theo lý thuyết KLT Hệ số truyền nhiệt lý thuyết KLT được xác định thông qua chế độ dòng chảy và các chuẩn sốđể tìm hệ số cấp nhiệt của dòng nóng và dòng lạnh Đồng thời tính nhiệt lượng dòng nóng tỏa ra, dòng lạnh thu vào, các hiệu suất của quá trình truyền nhiệt từ đó rút ra nhận xét xem chế độ chảy nào mang lại hiệu quả truyền nhiệt tốt hơn

2 Giới thiệu

Trong công nghiệp đặc biệt là lĩnh vực công nghệ hóa học, thực phẩm và môi trường sự biến đổi vật chất luôn luôn kèm theo sự tỏa nhiệt hay thu nhiệt do đó cần phải có nguồi thu năng lượng nhiệt (thiết bị làm lạnh hay ngưng tụ) hay nguồn tỏa nhiệt (thiết bị gia nhiệt, đun sôi).

Quá trình truyền nhiệt được phân biệt thành quá trình truyền nhiệt ổn định và quá trình truyền nhiệt không ổn định Quá trình truyền nhiệt ổn định là quá trình mà ở đó nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian Quá trình truyền nhiệt không ổn định là quá trình mà ở đó nhiệt độ thay đổi theo cả không gian

và thời gian.

Quá trình truyền nhiệt không ổn định thường xảy ra trong các thiết bị làm việc gián đoạn hoặc trong giai đoạn đầu và cuối của quá trình liên tục Còn quá trình truyền nhiệt ổn định thường xảy ra trong thiết bị làm việc liên tục.

Trong thực tế các thiết bị truyền nhiệt thường làm việc ở chế độ liên tục, việc nghiên cứu quá trình truyền nhiệt không ổn định nhằm mục đích chính là điếu khiển

hoặc là tổ hợp các nhiều phương thức (truyền nhiệt phức tạp) Các phương thức truyền nhiệt về cơ bản gồm dẫn nhiệt đối lưu, bức xạ.

Trong bài thực hành này chúng ta tiếp cận thiết bị truyền nhiệt loại vỏ ống, quá trình truyền nhiệt được xem là truyền nhiệt biến nhiệt ổn định.

3 Mục đích thí nghiệm

 Sinh viên biết vận hành thiết bị truyền nhiệt, hiểu nguyên lý đóng mở van để điều chỉnh lưu lượng và hướng dòng chảy, biết những sự cố có thể xảy ra và cách sử lý tình huống

 Khảo sát quá trình truyền nhiệt khi đun nóng hoặc làm nguội gián tiếp giữa 2 dòng qua một bề mặt ngăn cách là ống lồng ống, ống chùm và ống xoắn…

 Tính toán hiệu suất toàn phần dựa vào cân bằng nhiệt lượng ở những lưu lượng dòng khác nhau.

 Khảo sát ảnh hưởng của chiều chuyển động lên quá trình truyền nhiệt lên 2 trường hợp xuôi chiều và ngược chiều

 Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm K của thiết bị từ đó so sánh với kết quả TN tính toán theo lý thuyết K LT

4 Cơ sở lý thuyết:

Qúa trình trao đổi nhiệt giữa 2 dòng lưu chất qua một bề mặt ngăn cách rất thường gặp

trong các lĩnh vực công nghiệp hóa chất, thực phẩm, hóa dầu,… Trong đó nhiệt lượng do dòng nóng tỏa ra sẽ được dòng lạnh thu vào Mục đích của quá trình nhằm thực hiện một giai đoạn nào đó trong qui trình công nghệ, đó có thể llà đun nóng, làm nguội, ngưng tụ hay bốc hơi,… Tùy thuộc vào bản chất quá trình mà ta sẽ bố trí sự phân bố của các dòng sao cho giảm tổn thất, tang hiệu suất của quá trình.

- Hiệu suất của quá 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 của các dòng có ý nghĩa rất quan trọng.

- Cân bằng năng lượng khi 2 dòng lỏng trao đổi nhiệt gian tiếp: Nhiệt lượng do dòng

nóng tỏa ra:

Q =G C ΔT N N N N (6.1)

- Nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào:

Q =G C ΔT L L L L (6.2)

- Nhiệt lượng tổn thất (phần nhiệt lượng mà dòng nóng tỏa ra nhưng dòng lạnh không thu

vào được có thể do trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh):

Ta có các cách bố trí sau:

- Chảy xuôi chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song cùng chiều với nhau

1

2

Chảy ngược chiều: lưu thể 1 và 2 chảy song song nhưng ngược chiều với nhau

Chảy chéo dòng: lưu thể 1 và lưu thể 2 chảy theo phương vuông góc

- Chảy hỗn hợp: lưu thể 1 chảy theo hướng nào đó còn lưu thể 2 thì có đoạn chảy cùng chiều có đoạn chạy ngược chiều có đoạn chảy chéo dòng

nhau

Trường hợp chảy ngược chiều:

Xét trường hợp hai lưu thể chảy ngược chiều dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độ của lưu thể nóng giảm, nhiệt độ của lưu thể nguội tăng và được biểu diễn như giản đồ sau

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 của lưu thể nóng giảm, nhiệt độ của lưu thể ngội tăng và được biểu diễn như giản đồ sau

Hiệu suất nhiệt độ trong các quá trình truyền nhiệt của dòng nóng và dòng lạnh lần lượt là:

Hiệu suất nhiệt độ hữu ích của quá trình truyền nhiệt:

Hiệu suất của quá trình truyền nhiệt

Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm

Xác định hệ số truyền nhiệt theo lý thuyết

5Mô hình thí nghiệm 5.1 Sơ đồ hệ thống 5.1.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt loại ống chùm

5.1.2 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt loại ống xoắn

- Hai mô hình có cấu tạo giống nhau nên được giới thiệu chung

- Hệ thống khảo sát gồm 2 loại thiết bị chính:

+ Thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm (xoắn TB2) có vỏ ngoài bằng thủy tinh TB1 + Thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm (xoắn TB1) có vỏ ngoài bằng kim loại TB2

- Hệ thống thí nghiệm gồm 2 thùng chứa nước nóng TN (thùng nóng) và nước lạnh

TL (thùng lạnh) được nối với 2 bơm tương ứng bơm nóng B, vả bơm lạnh B để dẫn 2 dòng nóng và lạnh vào lần lượt 2 thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm qua 2 thiết bị đo lưu lượng loại rotamet

- Sự phân bổ các dòng lưu chất vào 2 thiết bị được điều chỉnh qua hệ thống các van

V L và V , ( i = 1÷9 , j = 1÷7 )> Lưu lượng của dòng nóng và dòng lạnh được Nj điều chỉnh nhờ 2 van V và V N L

- Nhiệt độ đầu vào và ra của các dòng lần lượt được xác định nhờ các đầu cảm biến

độ của cặp nhiệt điện loại K và truyền tín hiệu về tủ điều khiển và hiển thị trên các đồng hồ hiển thị RTC.

- Nước trong thùng chứa nước nóng sẽ được gia nhiệt nhờ điện trở 3KW có kết nối với bộ điều khiển ON/OF trên tủ điều khiển để khống chế nhiệt độ trong thùng chứa theo yêu cầu của thí nghiệm

Chú ý: Đối với các van V và V khi đóng thì phải đóng hoàn toàn, khi mở thì L N phải mở hoàn toàn

- Hệ thồng tủ điện bao gồm:

+ Đèn báo sáng khi có điện vào tủ điều khiển + Công tắc tổng (có đèn báo sáng khi mở) + Nút nhấn mở (màu xanh) nút nhấn tắt (màu đỏ) của bơm nóng, bơm lạnh + Công tắt điện trở

+ Nút dừng khẩn cấp (nhấn vào khi có sự cố, xoay theo chiều kim đồng hồ khi cần mở)

+ Đồng hồ hiển thị nhiệt độ dòng 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

- Đối với mô hình này cấu tạo gồm những bộ phận sau:

+ Thùng chứa nước nóng + Điện trở gia nhiệt (ĐT) + Bơm nóng (B ) N

+ Van điều khiển lưu lượng dòng nóng (V ) N + Lưu lượng kế dòng nóng (R ) 1

+ Thiết bị truyền nhiệt chính ống lồng ống + Dòng nước lạnh lấy nguồn nước cấp của nhà trường + Van điều khiển lưu lượng dòng lạnh (V ) L

+ Lưu lượng kế dòng nóng (R ) 2 + Van điều chỉnh hướng chảy dòng lạnh (V , V , V , V ) 1 2 3 4 + Đầu dò nhiệt độ thùng nóng tương ứng với đồng hồ hiển thị trên tủ điện (T ) N + Đầu dò nhiệt độ dòng nóng vào tương ứng với đồng hồ hiển thị trên tủ điện (T ) 1 + Đầu dò nhiệt độ dòng nóng ra tương ứng với đồng hồ hiển thị trên tủ điện (T ) 3 + Đầu dò nhiệt độ dòng lạnh vào (ra) tương ứng với đồng hồ hiển thị trên tủ điện (T 2 , T 4 )

+ Tủ điện: là phần điều khiển và hiển thị nhiệt độ

- Gồm có:

+ CB tổng nằm trên trong tủ bật nguồn vào máy khi đã cấp nguồn cho tủ điện + Công tắc tổng

+ Công tắc bơm nóng + Công tắc điện trở + Nút dừng khẩn cấp + Đồng hồ cài đặt và hiển thị nhiệt độ thùng nóng (T ) N + Đòng hồ hiển nhiệt độ dòng nóng vào ( T ) 1

+ Đồng hồ hiển nhiệt độ dòng nóng ra (T ) 3 + Hai đồng hồ hiển nhiệt độ dòng vào và ra (T , T ) 2 4

5.2 Trang thiết bị hoá chất

Bài thực hành được trang bị hệ thống tủ điện điều khiển hệ thống bơm, điện trở, cài đặt nhiệt độ và các đầu báo nhiệt độ, cách thức hoạt động như sau:

- Kết nối nguồn điện cung cấp cho tủ điều khiển (đèn báo sáng )

- Bật công tắc tổng (đèn báo sáng)

- Mở nắp thùng chứa nước nóng TN và lạnh TL (nếu có) kiểm tra nước đến hơn

2/3 thùng Trước khi cho nước vào thùng phải đóng van xả ở đáy.

- Đóng nắp thùng chứa nước nóng và lạnh 9 (nếu có).

- Cài đặt nhiệt độ trên bộ điều khiển ON/OFF cho thùng chứa nước nóng TN.

- Trên mô hình thiết bị ống lồng ống thì dòng nóng cố định một chiều chảy từ dưới lên.

Các ký hiệu

o ΔT : hiệu số nhiệt độ giữa đầu vào và ra của dòng nóng N

o ΔT : hiệu số nhiệt độ giữa đầu ra và vào của dòng lạnh L

o η : hiệu suất nhiệt độ của dòng nóng N

o η : hiệu suất nhiệt độ của dòng lạnh L

o η : hiệu suất nhiệt độ hữu ích hi

o η: hiệu suất truyền nhiệt

o V N : lưu lượng thể tích của dòng nóng (m /s)

o VL: lưu lượng thể tích dòng lạnh (m /s)

o G : lưu lượng khối lượng của dòng nóng (kg/s) N

o G : lưu lượng khối lượng của dòng lạnh (kg/s) L

o C : nhiệt dung riêng của dòng nóng (J/kg.°C) (tra bảng) N

o C : nhiệt dung riêng của dòng lạnh (J/kg.°C) (tra bảng) L

o ρ : khối lượng riêng của dòng nóng (kg/m ) (tra bảng) N

o ρ : khối lượng riêng của dòng lạnh (kg/m ) (tra bảng) L

o Q : nhiệt lượng do dòng nóng tỏa ra N

o Q : nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào (W) L

o d : đường kính trong của ống trong thiết bị thủy tinh TB1 (m) 1t

o d : đường kính ngoài của ống trong thiết bị thủy tinh TB1 (m) 1n

d 1t d 1n D 2t D 2n D 1 N 1 n 2 D 2 L 1 L 2

8 mm 10

mm

11 mm

13 mm

250 mm

Đối với ký hiệu kích thước ống xoắn:

o d : đường kính trong của ống xoắn (m) i

o d : đường kính ngoài của ống xoắn (m) o

o D : đường kính trong của thiết bị inox (m) 1

o D : đường kính trong của ống thủy tinh (m) 2

o L chiều dài của ống xoắn trong của thiết bị inox TB1 (m) 1

o L : chiều dài của ống xoắn trong của thiết bị thủy tinh TB2 (m) 2

6.2 Bảng kích thước ống xoắn

Đối với kí hiệu kích thước ống lồng ống:

d đường kính trong của ống trong 1 d đường kính ngoài của ống trong 2 D đường kính trong của ống ngoài 1 D đường kính ngoài của ống trong 2 L chiều dài ống tryền nhiệt

 Khi nhiệt đọ trong thùng chưa nước nóng đạt giá trị cài đặt thì bắt đầu thí nghiệm.

 Trên mô hình thiết bị ống chùm và ống xoắn bố trí dòng chảy xuôi chiều hay ngược chiều chỉ cần chỉnh dòng lạnh còn dòng nóng luôn bố trí cố định một chiều

từ trên xuống.

6.2 Thực hiện thí nghiệm

6.2.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát trường hợp xuôi chiều thiết bị

6.2.1.1 Chuẩn bị

Trước khi mở bơm phải đảm bảo hệ thống van phải phù hợp (nghĩa là phải có dòng chảy), tránh trường hợp mở bơm mà không có dòng chảy (nghĩa là van đóng

mở sai) thì sẽ gặp hiện tượng sau:

 Lưu lượng kế không thấy hoạt động

 Tiếng kêu động cơ lớn hơn bình thường

 Bung một số khớp nối mềm

 Xì nước ở roăn mặt bích

 Có khả năng hỏng bơm (bốc mùi khét) Gặp trường hợp như vậy như vậy thì tắt bơm kiểm tra lại hệ thống van  Trước khi mở điện trở phải đảm bảo trong thùng có nước điều này rất quan trọng vì nếu bật điện trở mà không có nước trong thùng thì chỉ cần 1-3 phút điện trở sẽ hỏng.

Phải xác định được các vị trí đầu dò nhiệt độ, quan trọng đó là nhiệt độ nóng vào và nóng ra, lạnh vào, lạnh ra nếu việc đánh số trên đàu dò không khớp mô hình thì sinh viên có thể dùng phán đoán.

 Khi mở bơm khởi động phải mở van hoàn lưu

 Khi vận hành chính thức dòng chảy qua nhánh phụ không qua lưu lượng kế.

Khi điều chỉnh lưu lượng cần điều chỉnh lưu lượng dòng nóng trước vàm điều chỉnh xong dòng nóng qua nhánh phụ sau dó tắt bơm nóng Tiếp theo điều chỉnh lưu lượng dòng lạnh, điều chỉnh xong mở bơm nóng

Nhiệt độ đầu vào mỗi thí nghiệm phải giống nhau.

6.2.1.4 Báo cáo

Xác định nhiệt lượng do dòng nóng tỏ ra, lạnh thu vào và nhiệt lượng tổn thất Xác định và so sánh hiệu số nhiệt độ của các dòng và hiệu suất nhiệt độ Xác định hiệu số của quá 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 của thiết bị từ đó so sánh TN với kết quả tính toán theo lý thuyết K LT trong trường hợp xuôi chiều

6.3Thí nghiệm 2: Khảo sát trường hợp ngược chiều thiết bị 6.3.1 Chuẩn bị

Xác định hiệu số của quá 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 của thiết bị từ đó so sánh TN với kết quả tính toán theo lý thuyết K LT trong trường hợp ngược chiều và so sánh với thí nghiệm

Tượng tự có thể khảo sát các thiết bị TB2 đối với mô hình ống chum và ống xoắn hoặc có thể tháo lắp các thiết bị khác đối với mô hình thiết bị ống lồng ống

− Lưu lượng khối lượng của dòng nóng:

Hiệu suất nhiệt độ trong các quá trình truyền nhiệt của dòng nóng và dòng lạnh:

Hiệu suất nhiệt độ hữu ích

Hiệu suất của quá trình truyền nhiệt

Tính hệ số cấp nhiệt dòng lạnh tương tự nhưng thay các chỉ số dòng nóng bằng dòng lạnh

 Dựa vào chuẩn số Reynolds:

 Thí nghiệm 1: Khảo sát trường hợp ngược chiều của thiết bị

Bảng nhiệt lượng dòng nóng tỏa ra ,lạnh thu vào và nhiệt lượng tổn thất

∆T N ( O C)

G N (Kg/s)

C N (J/Kg.độ )

Q N (W)

∆T L ( O C)

G L (Kg/s)

C L (J/Kg.độ )

Q L (W)

12345.568 0

12838.672 0

18758.549 3

Bảng xác định và so sánh hiệu số nhiệt độ của các dòng và hiệu suất nhiệt độ

V N (LPM)

V L (LPM)

Q N

(m ) 2

K TN (W/m độ) 2

1746.5 8

4.9 8

1214968659.

1766 0

707989.

9

1453 0 2.7

15.7 4

2458.3

1746 6

686758.

4

1913 8 2.5

5

300024.9 1

4045.0 9

15.7 4

2458.3 6

6.3

12200.1 3

2001 0

792250.

6

1914 5 2.4

6

262661.4 2

5558.2 4

20.0 0

3132.9 9

6.5

1263 8

499352.

6

2296 4 2.2

5

163418.4 6

5934.3 8

20.4 8

3223.6 2

6.5

1608 8

635930.

8

2347 0 2.2

5

152942.9 1

5934.3 8

20.4 8

3223.6 2

5.9

1864 8

741017.

9

2348 3 2.2

7

144396.5 1

5897.7 3

20.4 4

3215.2 6

5.5 1

1022763358.

9

13427.1 4

2075 4

828007.

5

2344 6 2.3



 Thí nghiệm 2: Khảo sát trường hợp xuôi chiều của thiết bị

Bảng nhiệt lượng dòng nóng tỏa ra ,lạnh thu vào và nhiệt lượng tổn thất

∆T N ( O C)

G N (Kg/s)

C N (J/Kg.độ )

Q N (W)

∆T L ( C) O

G L (Kg/s)

C L (J/Kg.độ )

Q L (W)

Xác định và so sánh hiệu số nhiệt độ của các dòng và hiệu suất nhiệt độ

V N (LPM)

V L

V L (LPM)

Q N

(m ) 2

K TN (W/m độ) 2

0,35

687,1941 12

V L (LPM)

Q N (W)

13536,2 9

2506,2

13959,9 4

128,216 3

20064,7 4

126,992 3

19820,7 4

4.

1559,4 6

1240.7 2 2.

4051,2 5

127,456 6

19913,4 6

4.

8

13463,5 6

12630,4 2

51,434 5

2163,0 1

1595.3 5 2.

2.

5

108386,7 8

5855,5 5

161,672 4

25422,3 8

5819,8 7

164,988 1

25931,0 6

4.

6

21677,4 6

13106,2 7

52,063 9

2199,2 2

1645.9 4

7.3 BIỂU ĐỒ

Thí nghiệm 1: Khảo sát trường hợp ngược chiều của thiết bị:

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

K tn K lt

Đồ thị biểu diễn hệ số truyền nhiệt K TN và hề số truyền nhiệt lý thuyết K LT

Thí nghiệm 2: Khảo sát trường hợp xuôi chiều của thiết bị

KY.THUAT.THUC.PHAM.2.bao.cao.THUC.HANH.THIET.bi.TRUYEN.NHIET.vo.ONGKY.THUAT.THUC.PHAM.2.bao.cao.THUC.HANH.THIET.bi.TRUYEN.NHIET.vo.ONGKY.THUAT.THUC.PHAM.2.bao.cao.THUC.HANH.THIET.bi.TRUYEN.NHIET.vo.ONGKY.THUAT.THUC.PHAM.2.bao.cao.THUC.HANH.THIET.bi.TRUYEN.NHIET.vo.ONGKY.THUAT.THUC.PHAM.2.bao.cao.THUC.HANH.THIET.bi.TRUYEN.NHIET.vo.ONGKY.THUAT.THUC.PHAM.2.bao.cao.THUC.HANH.THIET.bi.TRUYEN.NHIET.vo.ONGKY.THUAT.THUC.PHAM.2.bao.cao.THUC.HANH.THIET.bi.TRUYEN.NHIET.vo.ONGKY.THUAT.THUC.PHAM.2.bao.cao.THUC.HANH.THIET.bi.TRUYEN.NHIET.vo.ONG