báo cáo thực hành bài thiết bị truyền nhiệt vỏ ống

II.GIỚI THIỆU Trong công nghiệp đặc biệt là lĩnh vực công nghệ hóa học, thực phẩm và môi trường sự biến đổi vặt chất luôn luôn kèm theo sự tỏa nhiệt hay thu nhiệt do đó cần phải có nguồ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC – THỰC PHẨM



BÁO CÁO THỰC HÀNH Bài: Thiết Bị Truyền Nhiệt Vỏ Ống

GVHD:

TÊN SINH VIÊN:

MSSV:

Nguyễn Hữu Trung Phạm Ngọc Châu

21065281 NHÓM:

TỔ:

LỚP:

1

5 DHTP17C

I.TÓM TẮT

Bài báo cáo này giúp sinh viên biết cách vận hành thiết bị truyền nhiệt và hiểu được nguyên lý đóng mở van để điều chỉnh lưu lượng, và hướng dòng chảy Sinh viên cũng biết được cách xử lý các tình huống khi gặp những sự cố liên quan đến trong quá trình vận hành thiết bị Đồng thời, sinh viên biết cách khảo sát quá trình truyền nhiệt rong quá như là khi đun nóng hoặc làm nguội gián tiếp giữa 2 dòng qua bề mặt ngăn cách( ống lồng ống, ống chùm và ống xoắn….) Sinh viên cũng biết được cách suất toàn phần dựa vào cân bằng nhiệt lượng, khảo sát ảnh hưởng của chiều chuyển động trong quá trình truyền nhiệt xuôi chiều và ngược chiều Từ đó sinh viên cũng biết cách xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm cũng như hệ số truyền nhiệt lí thuyết

II.GIỚI THIỆU

Trong công nghiệp đặc biệt là lĩnh vực công nghệ hóa học, thực phẩm và môi trường sự biến đổi vặt chất luôn luôn kèm theo sự tỏa nhiệt hay thu nhiệt do đó cần phải có nguồn thu năng lượng nhiệt ( thiết bị làm laajnh 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 điều khiển các quá trình không ổn định để đưa về trạng thái ổn định, ngoài ra lý thuyết về truyền nhiệt không ổn định khá phức tạp Do đó, trong chương trình này chúng ta chỉ xét đến quá trình truyền nhiệt ổn định

Quá trình truyền nhiệt là quá trình một chiều, nghĩa là nhiệt lượng chỉ được truyền từ nơi

có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp và truyền từ vật này sang vật khác hay từ không gian này sang không gian khác thường theo một phương thức cụ thể nào đó hoặc là tổ hợp các nhiều phương thức ( truyền nhiệt phức tạp ) Các phương thức truyền nhiệt về cơ bản gồm dẫn nhiệt, 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

III.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 xử 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 cach là ống lồng ống,ống chum 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 trong 2 trường hợp xuôi chiều và ngược chiều

Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị từ đó so sánh với kết quả tính toán theo lý thuyết KLT

IV.CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Quá trình trao đổi nhiệt giuexa 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 quy trình công nghệ,đó có thể là đun nóng, làm nguội, ngưng tụ hay bốc hơi,…Tùy thuộc vào bản chất qua 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 gián tiếp: Nhiệt lượng do dòng nóng chảy ra:

QN = GN CN ΔTN (4.1) Nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào:

QL = GL CL ΔTL (4.2)

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 ):

Qf = QN - QL (4.3) Cân bằng nhiệt lượng

QN = QL + Qf (4.4) Mặt khác nhiệt lượng trao đổi củng có thể tính theo công thức:

Q = K F Δtlog (4.5)

Từ (4.5) ta thấy nhiệt lượng trao đổi sẽ phụ thuộc vào kích thước thiết bị F, cách bố trí các dòng Δtlog Do thiếtbị là phần cứng ta rất khó thay đổi nên có thể xem nhiệt lượng trao đổi trong trường hợp này phụ thuộc vào cách bố trí dòng chảy

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

1

2

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

1

2

Chảy hổn hợp: lưu thể 1 chảy theo hướng nào đó còn lưu thể 2 thì có đoạn chảy cùng chiều có đoạn chảy ngược chiều có đoạn chảy chéo vòng

Tùy vào cách bố trí mà ta có phương pháp xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích logarit Δtlog

khác nhau

(4.6)

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 tang và được biểu diễn như diễn đồ sau:

Δt1 = TNv - TLr

Δt2 = TNr - TLv

Nếu Δt1 > Δt2 Δtmax = Δt1 , Δtmin = Δt2

Nếu Δt1 < Δt2 Δtmax = Δt2 , Δtmin = Δt1

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 nguội tăng và được biểu diễn như giản đồ sau:

Nếu trong quá trình truyền nhiệt khi tỷ số Δtmax / Δtmin < 2 thì hiệu số nhiệt độ trung bình

Δtlog có thể được tính như sau:

Δtlog = Δtmax + Δtmin / 2 (4.9)

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

η N = TNv – TNr / TNv – TLr .100% (4.10)

η L = TLr – TLv / TNv – TLr 100% (4.11)

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

η hi = ηN + ηN / 2 (4.12)

Hiệu suất của quá trình truyền nhiệt:

η= QL / QN 100% (4.13)

Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm:

KTN = Q / F Δtlog (4.14)

Trong đó: Với: F = π dtb L

(dtb= di+do / 2 ) : là đường kính trung bình của ống truyền nhiệt, m

V.MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

5.1.1.Sơ đồ hệ thống

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

5.1.2.Trang thiết bị hóa 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 TL ( nếu có) kiểm tra nước đến hơn 2/3 thùng Trước khi cho nước vào thùng phải đóng van xả đáy

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

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

Trên mô hình thiết bị ống chum và ống xoắn bố trí dòng chảu xuôi chiều và ngược chiều chỉ cần điều chỉnh dòng lạnh, còn dòng nóng thì luôn bố trí ổn định một chiều từ trên xuống

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

Ký hiệu kích thước ống chùm:

dlt: đường kính trong của ống trong thiết bị thủy tinh TB1 (m)

dln: đường kính ngoài của ống trong thiết bị thủy tinh TB1(m)

d2t: đường kính trong của ống trong thiết bị inox TB2 (m)

d2n: đường kính ngoài của ống trong thiết bị inox TB2(m)

D1: đường kính trong của thiết bị thủy tinh TB1(m)

D2: đường kính trong của ống inox TB2(m)

L1: chiều dài của ống trong của thiết bị thủy tinh TB1 (m)

L2: chiều dài của ống trong thiết bị inox (m)

n1: số ống trong thiết bị thủy tinh

n2: số ống trong thiết bị inox

Ký hiệu kích thước ống long ống:

d1: đường kính trong của lồng ống

d2: đường kính ngoài của lồng ống

D1: đường kính trong của ống ngoài

D2: đường kính ngoài của ống ngoài

L: chiều dài ống truyền nhiệt

VI.TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

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

6.1.1.1.Chuẩn bị

Trước khi mở bơm phải đảm bảo hệ thống van phải phù hợp( nghĩa là phải có dòng

chảy), tránh những trường hợp mở bơm mà không có dòng chảy( nghĩa là van đóng mở sai) thì sẽ gặp hiện tượng như 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 roãn mặt bích

Có khả năng hỏng bơm

->Gặp hiện tượng 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 1-3p điện trở sẽ hỏng

Trước khi mở bơm phải đảm bảo trong thùng chứa phải có nước

Phải xác định được 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 các đầu dò không khớp mô hình ở sơ đồ thì

Nhiệt độ cài đặt luôn cao nhất T9

Nhiệt độ nóng vào cao thứ nhì T1 T5

Nhiệt độ lạnh vào luôn thấp nhất T2, T4, T6, T8

Nhiệt độ nhiệt nóng ra T3, T7 lớn hơn lạnh ra T2, T4 ,T6, T8 nếu bố trí chảy xuôi chiều Khi mở bơm khởi động phải mở van hoàn lưu VL1, VN1

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

6.1.1.2.Các lưu ý

Trước khi mở điện trở phải đảm bảo trong thùng có chứa ít nhất 2/3 thùng

Trước khi mở bơm phải đảm bảo trong thùng chứa có nước

Trước khi mở bơm phải đảm bảo hệ thống van phù hợp

Khi mkowr bơm khởi động phải mở van hoàn lưu

Khi điều chỉnh lưu lượng cần điều chỉnh dòng nóng trước và điều chỉnh xong cho dòng nóng đi qua nhánh phụ sau đó 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

6.1.1.3.Báo cáo

Xác định nhiệt lượng do dòng nóng tỏa 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 suất của quá trình truyền nhiệt

Xác định hệ số truyền nhiệt thực phẩm

Xác định hệ só truyền nhiệt theo lý thuyết

Vẽ đồ thị hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị từ đó so sánh với kết quả tính toán theo lý thuyết KLT trong trường hợp xuôi chiều

6.2.1.Thí nghiệm 2: Khảo sát trường hợp ngược chiều thiết bị

6.2.1.1.Chuẩn bị

Tương tự thí nghiệm 1

6.2.1.2.Các lưu ý

Tương tự thí nghiệm 1

6.2.1.3.Báo cáo

Xác định nhiệt lượng do dòng nóng tỏa 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 suất của quá trình truyền nhiệt

Xác định hệ số truyền nhiệt thực phẩm

Xác định hệ só truyền nhiệt theo lý thuyết

Vẽ đồ thị hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị từ đó so sánh với kết quả tính toán theo lý thuyết KLT trong trường hợp ngược chiều và so sánh với thí nghiệm 1 Tương tự có thể khảo sát các thiết bị TB2 đối với mô hình ống chùm và xoắn hoặc có thể tháo lắp các thiết bị khác đối với mô hình thiết bị lồng ống

6.3.1.Kết thúc bài thực hành

Tắt bơm nóng và bơm lạnh

Tắt công tắc điện trở, điều chỉnh bộ điều khiển nhiệt độ về 20 độ C

Tắt công tắc tổng

Tắt cầu dao nguồn

Chờ nước nguội dưới 50 độ C

Xả nước trong các thùng

Khóa van nước nguồn cấp

Vệ sinh máy và khu vực máy

Ghi chép vào sổ nhật ký khi sử dụng máy

6.3.1.2 Báo cáo

Xác định nhiệt lượng do dòng nóng tỏa 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 suất của quá trình truyền nhiệt

Xác định hệ số truyền nhiệt thực phẩm

Xác định hệ só truyền nhiệt theo lý thuyết

Vẽ đồ thị hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị từ đó so sánh với kết quả tính toán theo lý thuyết KLT trong trường hợp xuôi chiều

VII.KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

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

TN VN

(lí t/phú t)

VL (lí t/phú t)

TNV

(0C)

TNR

(0C)

TLV

(0C)

TLR

(0C)

1

6

6 78.2 60.2 29.7 36.4

2 10 77.8 60.3 29.7 37.2

3 14 77.3 59.1 29.6 33.1

4 18 77.1 58.9 29.7 32.7

5

10

6 75.6 65.2 29.7 38.7

6 10 74.3 65.1 29.8 41.0

7 14 74 64.5 29.7 38.7

8 18 73.7 63.9 29.9 36.1

9

14

6 80.6 69.8 34.3 42.5

10 10 81.1 69.9 31.6 45.1

11 14 80.5 68.8 30.6 45.1

12 18 80.2 68.1 30.4 41.6

7.1.1.2.Thí nghiệm 2: Khảo sát trường hợp ngược chiều thiết bị

TN VN

(lí t/phú t)

VL (lí t/phú t)

TNV

(0C)

TNR

(0C)

TLV

(0C)

TLR

(0C)

1

6

6 80.5 70.7 55.8 29.4

2 10 80.9 60 69.7 29.5

3 14 80.8 55.2 36.3 28.6

4 18 80.6 54.6 35.4 28.6

5

10

6 79.7 64.3 38.5 28.6

6 10 79.4 66.6 40.5 28.5

7 14 78.7 66.1 41.1 28.5

8 18 78.1 64.7 37.3 28.5

9

14

6 75.7 64.6 39.6 29.1

10 10 75.2 64.2 41.3 28.4

11 14 74.4 63.7 41.4 28.4

12 18 73.7 62.7 40.1 28.3

7.2 Xử lý số liệu

7.2.1 Trường hợp xuôi chiều

Tại lần khảo sát đầu tiên

STT VN(l/p) VL(l/p) TNv TNr TLv TLr

1 6 6 78,2 60,2 29,7 36,4

7.2.1.1 Xác định nhiệt lượng do dòng nóng tỏa ra, lạnh thu vào và nhiệt lượng tổn thất

Nhiệt độ trung bình của dòng nóng: TN = (TNv + TNr) /2 = 78,2 + 60,2 /2 = 69,2 độ C

->ρN= 978 kg/m3 và CN = 4,189 kJ/kg->4189J/kg độ C

Nhiệt độ trung bình của dòng lạnh : TL= (TLr + TLv) /2 = 36,4+29,7 /2 =33,05 độ C ->ρL= 994,6 kg/m3 và CL= 4,174 kJ/kg->4174J/kg độ C

Lưu lượng khối lượng của dòng nóng và dòng lạnh:

GN= ρN VN= 978 (6/60000)= 0,0978 kg/s

GL= ρL VL= 994,6 (6/60000) = 0,0995 kg/s

Hiệu số nhiệt độ của dòng nóng và dòng lạnh

ΔTN= TNv - TNr = 78,2 – 60,2 = 18 độ C

ΔTL= TLr – TLv = 36,4 – 29,7 = 6,7 độ C

Nhiệt lượng do dòng nóng tỏa ra, lạnh thu vào và nhiệt lượng tổn thất:

QN= GN CN ΔTN= 0,0978 4189 18= 7374,32 W

QL=GL.CL ΔTL=0,0995 4174 6,7 =2782,60 W

Qtt=QN-QL=7374,32 – 2782,60= 4591,72 W

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

Hiệu số nhiệt độ của dòng nóng:

ΔTN= TNv – TNr = 78,2 – 60,2 = 18 độ C

Hiệu số nhiệt độ của dòng lạnh:

ΔTL= TLr – TLv = 36,4 – 29,7 = 6,7 độ C

Hiệu suất nhiệt độ:

ηN= TNv -TNr / TNv – TLr 100% = 78,2 – 60,2 / 78,2 – 36,4 100= 43,06%

ηL= TLr – TLv / TNv – TLr 100% = 36,3 – 29,7 / 78,2 – 36,4 100 = 15,79%

ηhi = ηN + ηL / 2 = 37,11 + 13,61 / 2 = 29,43 %

->Hiệu số và hiệu suất nhiệt độ của dòng nóng luôn lớn hơn dòng lạnh

7.2.1.3 Xác định hiệu suất của quá trình truyền nhiệt

η= QL / QN 100% = 2782,60 / 7374,32 100 = 37,73%

7.2.1.4 Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm

Xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích logarit ΔTlog

ΔTmax= ΔT1= TNv – TLv = 78,2 – 29,7 = 48,5

ΔTmin= ΔT2= TNr – TLr = 60,2 – 36,3 = 23,9

->ΔTlog = ΔTmax – ΔTmin / ln ( ΔTmax / ΔTmin) = 48,5 – 23,9/ ln( 48,5 / 23,9)=34,76 Xác định diện tích trao đổi nhiệt F:

dt dn L n 8mm 10mm 650mm 19

dtb=8+10/2= 9mm = 0,009m

->F= dtb L π n = 0,009 0,65 3,14 19 = 0,35 m2

K= QN/ F.ΔTlog = 7374,32 / 0,35 34,76 = 606,14 ( W/m2độ C)