Kỹ thuật thực phẩm 2 báo cáo thực hành thiết bị truyền nhiệt vỏ ống

Đồng thời tính nhiệt lượng dòng nóng tỏa ra, dòng lạnh thu vào, các hiệu suất của quá trìnhtruyền nhiệt từ đó rút ra nhận xét xem chế độ chảy nào mang lại hiệu quả truyền nhiệt tốt hơn 2

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

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 xuôichiều và ngược chiều lên quá trình truyền nhiệt vỏ ống với dạng ống xoắn Quá trình thựcnghiệm và xử lý kết quả nhằm xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị và sosánh với kết quả được tính toán theo lý thuyết KLT Hệ số truyền nhiệt lý thuyết KLT được xácđịnh thông qua chế độ dòng chảy và các chuẩn sốđể tìm hệ số cấp nhiệt của dòng nóng và dònglạnh Đồng thời tính nhiệt lượng dòng nóng tỏa ra, dòng lạnh thu vào, các hiệu suất của quá trìnhtruyền 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 môitrường sự biến đổi vật chất luôn luôn kèm theo sự tỏa nhiệt hay thu nhiệt do đó cầnphải có nguồi thu năng lượng nhiệt (thiết bị làm lạnh hay ngưng tụ) hay nguồn tỏanhiệt (thiết bị gia nhiệt, đun sôi)

Quá trình truyền nhiệt được phân biệt thành quá trình truyền nhiệt ổn định và quátrình truyền nhiệt không ổn định Quá trình truyền nhiệt ổn định là quá trình mà ở đónhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian Quá trìnhtruyền 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 việcgián đoạn hoặc trong giai đoạn đầu và cuối của quá trình liên tục Còn quá trình truyềnnhiệt 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, việcnghiên cứu quá trình truyền nhiệt không ổn định nhằm mục đích chính là điếu khiểncác quá trình không ổn định để đưa về trạng thái ổn định, ngoài ra lý thuyết về truyền

hoặc là tổ hợp các nhiều phương thức (truyền nhiệt phức tạp) Các phương thức truyềnnhiệt 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, quátrình 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 điềuchỉnh lưu lượng và hướng dòng chảy, biết những sự cố có thể xảy ra và cách sử lýtình huống

 Khảo sát quá trình truyền nhiệt khi đun nóng hoặc làm nguội gián tiếp giữa 2 dòngqua 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 lượngdòng khác nhau

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

 Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm K của thiết bị từ đó so sánh với kết quảTNtính toán theo lý thuyết KLT

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 dodòng nóng tỏa ra sẽ được dòng lạnh thu vào Mục đích của quá trình nhằm thực hiện mộtgiai đoạn nào đó trong qui trình công nghệ, đó có thể llà đun nóng, làm nguội, ngưng tụhay bốc hơi,… Tùy thuộc vào bản chất quá trình mà ta sẽ bố trí sự phân bố của các dòngsao 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 quantrọng

- 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

Tùy vào cách bố trí mà ta có phương pháp xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích logarit Δt khác log 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 đểdẫn 2 dòng nóng và lạnh vào lần lượt 2 thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm qua 2thiết 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

VL và V , ( i = 1÷9 , j = 1÷7 )> Lưu lượng của dòng nóng và dòng lạnh đượcNjđiều chỉnh nhờ 2 van V và VN 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 cácđồng hồ hiển thị RTC

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

Chú ý: Đối với các van V và V khi đóng thì phải đóng hoàn toàn, khi mở thìL Nphải 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 cầnmở)

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

+ 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(T2, T4)

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

+ 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, càiđặt 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 dướilên

Các ký hiệu

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

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

o η : hiệu suất nhiệt độ của dòng nóngN

o η : hiệu suất nhiệt độ của dòng lạnhL

o η : hiệu suất nhiệt độ hữu íchhi

o η: hiệu suất truyền nhiệt

o VN: 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 raN

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

o F: diện tích trao đổi nhiệt (m )

Đối với ký hiệu kích thước ống chùm:

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

o d : đường kính trong của ống trong thiết bị inox TB2 (m)2t

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 trong1

d đường kính ngoài của ống trong2

D đường kính trong của ống ngoài1

D đường kính ngoài của ống trong.2

L chiều dài ống tryền nhiệt

Bảng 6.3: Bảng kích thước ống lồng ống

6 Tiến hành thí nghiệm hực nghiệm

6.1 Tóm tắt các thông số quan trọng của hóa chất và thiết bị sử dụng

 Mở nắp thùng chứa nước nóng và lạnh kiểm tra nước đến hơn 2/3 thùng Trướckhi cho nước vào thùng phải kháo van xá ở đáy

 Đóng nắp thùng chứa nước nóng

 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 hayngược 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 códòng 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 vìnếu bật điện trở mà không có nước trong thùng thì chỉ cần 1-3 phút điện trở sẽhỏng

Phải xác định được các vị trí đầu dò nhiệt độ, quan trọng đó là nhiệt độ nóng vào vànóng ra, lạnh vào, lạnh ra nếu việc đánh số trên đàu dò không khớp mô hình thì sinhviên 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 chỉnhxong dòng nóng qua nhánh phụ sau dó tắt bơm nóng Tiếp theo điều chỉnh lưulượng 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 thấtXác 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 sánhTNvới kết quả tính toán theo lý thuyết KLT trong trường hợp xuôi chiều

6.3Thí nghiệm 2: Khảo sát trường hợp ngược chiều thiết 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 sánhTNvới kết quả tính toán theo lý thuyết KLT trong trường hợp ngược chiều và so sánhvới thí nghiệm

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

GN , được đổi từ lưu lượng thể tích sang lưu lượng khối lượng:

− 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:

 Dựa vào chuẩn số Reynolds:

 Dòng chảy dòng: ( Re < 2300 )

Nu = 0,158 Re Pr0,33 0.43.Gr0,1Tra bảng

 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

∆TL(OC)

GL(Kg/s)

CL(J/Kg.độ)

QL(W)20.8 0.1305 4187.90 11371.1201 20.9 0.0667 4146.4 5777.317320.7 0.1306 4187.25 11318.4508 19.6 0.1333 4151.6 10849.514722.6 0.1307 4185.10 12364.5543 21.2 0.2000 4145.2 17575.648023.4 0.1308 4183.70 12807.0922 19.9 0.2667 4150.4 22024.789325.6 0.1957 4189.00 20986.5549 12.6 0.0667 4179.6 3510.864022.8 0.1956 4190.20 18685.0404 14.9 0.1333 4170.4 8285.194722.4 0.1956 4190.10 18357.7332 14.8 0.2000 4170.8

12345.568022.2 0.1956 4190.10 18193.8248 16.5 0.2667 4164.0 18321.600018.3 0.2605 4192.05 19986.1769 16.0 0.0667 4166.0 4443.733315.6 0.2604 4180.00 16980.1632 16.1 0.1333 4165.6 8942.154714.6 0.2604 4180.00 15891.6912 17.4 0.2000 4160.4

14478.1920

14 0.2604 4180.00 15240.9488 18.4 0.2667 4156.4

20394.069315.7 0.3257 4180.00 21376.0289 13.6 0.0667 4175.6 3785.877313.3 0.3255 4180.00 18093.5306 13.5 0.1333 4176.0 7516.8000

12.3 0.3254 4180.00 16731.4010 15.4 0.2000 4168.4

12838.672011.7 0.3254 4180.00 15916.0502 16.9 0.2667 4162.4

18758.5493Bảng xác định và so sánh hiệu số nhiệt độ của các dòng và hiệu suất nhiệt độVN

F(m )2

KTN(W/m độ)2

0 1187010585.7 3868.75

13916

560798.6

1456.92.6

4.98

1214968659

17660

707989.9

1453.02.7

4.2

7 1177970012.0 11822.62

19941

804539.4

1438.02.8

2 142482.46 2457.59 11.05 1710.53 4.84 1104378362.5 14585.20 21363 857475.2 1428.42.5

9 178146.22 3978.55 15.65 2441.65 8.09 671293583.9 2568.29 11295 440115.6 1900.72.5

4 164117.99

4051.2

5

15.74

2459.90

7.0

7 829239327.8 5664.18

15322

602687.8

1914.02.5

5 160942.11

4045.0

9

15.74

2458.3

6 7.11 822743845.5 8458.50

17466

686758.4

1913.82.5

2458.36

6.3

6 923601881.1

12200.13

20010

792250.6

1914.52.4

3132.99

6.5

8 915596493.6 2978.41

12638

499352.6

2296.42.2

3223.62

6.5

4 945665426.9 5984.92

16088

635930.8

2347.02.2

3223.62

5.9

6 987417046.9 9564.09

18648

741017.9

2348.32.2

3215.26

5.51

1022763358

9

13427.14

20754

828007.5

2344.62.3

3809.36

7.6

5 734207767.8 2676.69 11663

456325.4

2638.62.2

4 141147.66 7456.58 24.52 3862.04 7.69 738293208.5 5330.88 14699 574857.3 2667.02.2

3 131904.12 7487.76 24.56 3868.80 6.85 854632475.4 8690.33 17700 697627.5 2672.42.2

3865.41

6.1

8 948028796.5

12439.44

20199

801013.1

2672.1