báo cáo kỹ thuật thực phẩm 2 bài 6 thiết bị truyền nhiệt vỏ ống

BÀI 6: THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNGNhiệt lượng dòng nóng tỏa ra: QN = GN.CN.TNNhiệt lượng do dòng lạnh thu vào: QL = GL.CL.TLNhiệt lượng tổn thất: Qf = QN - QLCân bằng nhiệt lượng: QN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HỒ CHÍ MINH VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM

- -BÁO CÁO KỸ THUẬT THỰC PHẨM 2

Viện: Công Nghệ Sinh Học và Thực Phẩm

Họ và tên SV: Phạm Thảo Hiền

Nhóm: Nhóm 2

Giảng viên: Phạm Văn Hưng

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 15, tháng 4, năm 2024

4

MỤC LỤC

BÀI 6: THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG 5

6.1 Mục đích thí nghiệm 5

6.2 Cơ sở lý thuyết 5

6.3 Kết quả thí nghiệm 8

6.4 Xử lý số liệu 10

6.5 Bàn luận 14

BÀI 6: THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG

6.1 Mục đích thí nghiệm

- 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 hai 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 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

6.2 Cơ sở lý thuyết

- 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 nhiệt lượng khi 2 dòng lỏng trao đổi nhiệt gián tiếp:

Nhiệt lượng dòng nóng tỏa ra: QN = GN.CN.TN

Nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào: QL = GL.CL.TL

Nhiệt lượng tổn thất: Qf = QN - QL

Cân bằng nhiệt lượng: QN = QL + Qf

Mặt khác nhiệt lượng trao đổi cũng có thể tính theo công thức: Q = K.F.Tlog

- Nhiệt lượng trao đổi sẽ phụ thuộc vào kích thước thiết bị F, cách bố trí các dòng Tlog Do thiết bị 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 Gồm: Chảy xuôi chiều, chảy ngược chiều, chảy chéo dòng, chảy hỗn hợp

- Tùy vào cách bố trí mà ta có phương pháp xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích logarit tlog khác nhau

∆ tlog =

∆ t max−∆ t min

ln ∆t max

∆t min

- Trường hợp chảy ngược chiều:

t1 = TNv - TLr

t2 = TNr - TLv Nếu t1 > t2  tmax = t1 , tmin = t2

t1 < t2  tmax = t2 , tmin = t1

- Trường hợp chảy xuôi chiều:

tmax = t1 = TNv - TLv

tmin = t2 = TNr - TLr

- Nếu trong quá trình truyền nhiệt khi tỉ số ∆ t ∆ t max

min< 2 thì hiệu số trung bình tlog có thể được tính gần đúng theo công thức sau:

∆ tlog = ∆ t max+∆ t min

2

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

H N = T Nv−¿T Nr

T Nv−¿T Lr¿¿ 100%; H N = T Nv−¿T Nr

T Nv−¿T Lr¿¿ 100%

- Hiệu suất nhiệt độ hữu ích của quá trình truyền nhiệt: H hi = T Nv−¿T Nr

2 ¿

- Hiệu suất của quá trình truyền nhiệt: H = Q Q L

N 100%

- Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm:H N = F ∆ t Q

log 100%

Trong đó: Với F = .dtb.L (d tb=d i+d o

2 ) là đường kính trung bình của ống truyền nhiệt, m

- Hệ số truyền nhiệt lý thuyết: KLT =

1 1

α1+

δ

λ+

1

α2

Trong đó: r r2

1 < 2, thép không rỉ = 17,5 W/m.độ

* Tính hệ số cấp nhiệt N (dòng nóng)

- Chuẩn số Reynolds: Re=

w d i

v

- Chuẩn số Prandtl: Pr = C N ∙ v ρ nước

λ dòng nóng

- Chuẩn số Grashoff: Gr= g l

3

v2 β t Trong đó: g=9.81 (m/s2)

l = di là đường kính tương đương

β là hệ số giãn nở thể tích được tra trong bảng tra cứu

Δt = ttường – tnóng vào là chênh lệch nhiệt độ

εk: Hệ số hiệu chỉnh

Mà t = |t tường−T NV|=|T´N+ ´T L

2 −T NV|

- Tính chuẩn số Nusselt:

+ Nếu dòng nóng chảy xoáy: Nu = 0,021.εk.Re0,8.Pr0,43 + Nếu dòng nóng chảy quá độ: Nu = 0,008.εk.Re0,9.Pr0,43 + Nếu dòng nóng chảy dòng: Nu = 0,158.εk.Re0,33.Pr0,43.Gr0,1

 Vậy hệ số cấp nhiệt α N là Nu = α N l

λ

* Tính hệ số cấp nhiệt  L (dòng lạnh)

- Chuẩn số Reynolds: Re = w d td L

v

Với d = 4

❑

4 (D1

2

d20) (D1+d o)

- Chuẩn số Grashoff: Gr= g l

3

v2 β t Trong đó: g=9.81 (m/s2)

l = di là đường kính tương đương.

β là hệ số giãn nở thể tích được tra trong bảng tra cứu

Δt = ttường – tlạnh vào là chênh lệch nhiệt độ

εk: Hệ số hiệu chỉnh

Mà t = |t tường−T LV|=|T´N+ ´T L

2 −T LV|

- Tính chuẩn số Nusselt:

+ Nếu dòng nóng chảy xoáy: Nu = 0,021.εk.Re0,8.Pr0,43

+ Nếu dòng nóng chảy quá độ: Nu = 0,008.εk.Re0,9.Pr0,43

+ Nếu dòng nóng chảy dòng: Nu = 0,158.εk.Re0,33.Pr0,43.Gr0,1

 Vậy hệ số cấp nhiệt α L là Nu = α L l

λ

* Kí 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 thiết bị thủy tinh TB1 (m)

L2: chiều dài của ống trong thiết bị inox TB2 (m)

n1: số ống trong thiết bị thủy tinh (ống)

n2: số ống trong thiết bị inox (ống)

Bảng 6.1 Bảng kích thước ống chùm (đơn vị : mm)

6.3 Kết quả thí nghiệm

Khảo sát trường hợp xuôi chiều thiết bị

V nóng

(L/P)

V lạnh (L/P) T nóng vào (

℃¿

T nóng ra (

℃¿

T lạnh vào (

℃¿

T lạnh ra (

℃¿

4

8

12

16

Khảo sát trường hợp ngược chiều thiết bị

V nóng

(L/P)

V lạnh (L/P) T nóng vào (

℃¿

T nóng ra (

℃¿

T lạnh vào (

℃¿

T lạnh ra (

℃¿

4

8

16

18

6.4 Xử lý số liệu

Trường hợp xuôi chiều

Chọn mẫu

V nóng

(L/P)

V lạnh (L/P) T nóng vào (

℃¿

T nóng ra (

℃¿

T lạnh vào (

℃¿

T lạnh ra (

℃¿

Tra bảng 1.249 (trang 310) Sổ tay quá trình thiết bị tâp 1 ta được bảng sau: Nhiệt độ

T (℃¿

Khối lượng riêng

ρ( kg m3)

Độ nhớt

ϑ 106(m2

s )

Nhiệt dung riêng Cp (Kj/kg.độ)

Hệ số dẫn nhiệt

𝜆.102 (W/

m Độ)

Hệ số

β 104

Pr

Nhiệt độ dòng nóng:

´

TN =Tnv+Tnr2 =69,9+65,3

2 = 67,6 ℃

ρN = 980,635(kg/m3) và CN =4181 (J/kg.℃¿

Nhiệt độ trung bình dòng lạnh:

´

TL =Tlv+Tlr2 =38+35,12 =36,55℃

ρL = 993,781(kg/m3) và CL =4174 (J/kg.℃¿

GN = ρN ×V N =980,635 × 12

60000=¿ 0,196(kg/s)

GL = ρL ×V L =993,781 × 12

60000=¿ 0,199(kg/s)

Hiệu số nhiệt độ dòng nóng và dòng lạnh:

∆ TN = Tnv-Tnr =66,5 - 63,5=3 ℃

∆ TL = Tlv -Tlr = 36,8 -35,2 =1,6 ℃

Nhiệt lượng dòng nóng tỏa ra:

QN= GN × CN × ∆ TN =0,196× 4181 ×3= 2458,428(W)

Nhiệt lượng dòng lạnh thu vào:

QL= GL × CL × ∆ TL =0,199× 4174 ×1,6=1329,0016 (W)

Nhiệt lượng tổn thất:

Qf= QN- QL =2458,428- 1329,0016 =1129,4264 (W)

Hiệu suất:

ⴄ=QN QL × 100=1329,0016

2458,428 × 100=62,69 %

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

GN

(kg/s

)

CN

(KJ/kg

℃¿

∆ T

N (

℃¿

QN (W) GL

(kg/s )

CL (KJ/kg

℃¿

∆ T

L (

℃¿

QL (W) Qf

(W)

ⴄ (%)

0,19

9018,28 2

0,09

20,

7 8579,59 438,69 95,14 0,19

13, 2

10829,7 3

0,13

3 4,174 9,1 5038,87 5790,86 46,53 0,19

13, 4

10998,1 6

0,16

10,

7 7404,20 3593,96 67,32

0,19

2458,42 8

0,19

1329,001 6

1129,426

4 62,69

0,22

8508,26 6

0,10

0 4,174 3,8 1579,69 6928,58 18,57 0,22 4,184 11, 10713,4 0,13 4,174 11 6089,76 4623,64 56,84

9 2 3

0,22

12, 5

11961,8 6

0,16

11,

5 7956,67 4005,20 66,52 0,23

12,

3 11944,7

0,19

10,

6 8802,16 3142,54 73,69 0,26

10608,4 6

0,09

12,

8 5311,33 5297,13 50,07 0,26

10174,2 9

0,13

11,

6 6418,99 3755,30 63,09 0,26

10287,9 4

0,16

10,

5 7264,78 3023,16 70,61 0,26

10657,1 9

0,19

9 4,174 8,9 7391,92 3265,27 69,36 0,29

10708,0 1

0,09

16,

3 6761,15 3946,86 63,14 0,29

11942,6 7

0,13

10,

9 6034,08 5908,59 50,53 0,29

11084,6 1

0,16

10,

5 7266,32 3818,29 65,55 0,29

11235,4 6

0,19

9 4,174 9,7 8056,08 3179,38 71,70

∆ TN=Tnv-Tnr =66,5 - 63,5=3 ℃

∆ TL= Tlv -Tlr = 36,8 -35,2 =1,6 ℃

Hiệu suất: ⴄN=Tnv−Tnr Tnv−Tlr ×100=66,5−63,5

66,5−35,2=9,58 %

ⴄL=Tnv−Tlr Tlr−Tlv × 100=36,8−35,2

66,5−35,2×100=5,11 %

ⴄhi=ⴄ N +ⴄ L2 =9,58+5,11

2 =7,345%

Xác định và so sánh hiệu số nhiệt độ và hiệu suất nhiệt độ

(℃¿ (℃¿ (℃¿ ℃¿

Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm:

∆ Tmax=∆ t 1=Tnv−Tlv=69,9−38=31,9 ℃

∆ Tmin=∆ t 1=Tnr−Tlr=63,5−35,1=28,4 ℃

Suy ra: ∆ Tlog= ∆ Tmax+ ∆ Tmin

31,9+28,4

2 =30,15℃

Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm

VN

(L/phút)

VL (L/phút)

QN(W) ∆ Tmax ∆ Tmin ∆ Tlog KTN

12

14

16

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0

200 400 600 800 1000 1200

Biểu đồ khảo sát KLT và KTN xuôi chiều

KTN KLT

6.5 Bàn luận

Hệ số truyền nhiệt đặc trưng cho lượng nhiệt truyền từ lưu thể nóng tới lưu thể nguội qua 1m2 bề mặt tường phẳng trong một đơn vị thời gian

Hệ số truyền nhiệt càng lớn thì lượng nhiệt mà lưu thể lạnh nhận được từ lưu thể nóng càng tăng Nghĩa là quá trình truyền nhiệt càng đạt hiệu quả (hiệu suất cao vì) Khi thực nghiệm ta thấy được các vấn đề sau:

Hiệu suất của quá trình truyền nhiệt lớn nhỏ khi cho dòng lạnh chảy ngược chiều dòng nóng so với trường hợp hai dòng này chảy cùng chiều

Trong cùng một lưu lượng nóng bằng nhau, khi tăng lưu lượng dòng lạnh thì hệ

số truyền nhiệt sẽ tăng dần

Đối với hệ số truyền nhiệt tính theo thực nghiệm thì ta thấy KTN khi xuôi chiều cao hơn so với khi ngược chiều

 Các nguyên nhân gây sai số lớn trong khi truyền nhiệt:

Lưu lượng và nhiệt độ của các dòng nóng và lạnh là chưa chính xác

Nhiệt độ dòng nóng khi gia nhiệt ban đầu không giữ ổn đỉnh và nhiệt độ giảm

nhanh nhưng thí nghiệm vẫn tiến hành dẫn đến sai lệch lớn.,

Khi chuyển từ chế độ ngược chiều sang xuôi chiều thì dòng lạnh không chiếm đầy không gian trong thiết bị mà chỉ đạt mực chất lỏng bằng 2/3 chiều cao thiết bị Điều này dẫn đến giảm khả năng truyền nhiệt

Tuy nhiên trong quá trình thí nghiệm, việc gia nhiệt cho dòng nóng chưa đạt đến nhiệt độ cần thiết (75 ) nên có ảnh hưởng đến kết quả của thí nghiệm

Những kết quả thu nhận có thể xảy ra sai số do thiết bị thực hiện Thiết bị không

có bộ phận cách nhiệt để giảm tối thiểu phần nhiệt lượng bị hao hụt ra bên ngoài

Bộ điều chỉnh ON-OFF làm độ trễ thời gian lớn, thiết bị đo nhiệt độ ở các đầu sai

Để cải thiện điều này cần tốn nhiều về thời gian, sức lực và chi phí Tuy nhiên, trong lúc thực hiện có thể giảm bớt sai số bằng cách thực hiện đúng các thao tác, kiểm tra thiết bị kỹ lưỡng, đọc giá trị nhanh và chính xác để thu được kết quả đúng nhất

Tất cả các nguyên nhân trên làm cho KTN và KLT có sự khác biệt rất lớn