Báo cáo bài thực hành thiết bị truyền nhiệt vỏ ống

BÀI 3: THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG GIỚI THIỆUTrong công nghiệp đặc biệt là lĩnh vực công nghệ hóa học, thực phẩm và môi trường sự biếnđổi vật chất luôn luôn kèm theo sự tỏa nhiệt hay th

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



BÁO CÁO BÀI THỰC HÀNH

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG

BÀI 3: THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG GIỚI THIỆU

Trong công nghiệp đặc biệt là lĩnh vực công nghệ hóa học, thực phẩm và môi trường sự biếnđổi vật chất luôn luôn kèm theo sự tỏa nhiệt hay thu nhiệt do đó cần phải có nguồn 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 chia thành truyền nhiệt ổn định và không ổn định Quá trìnhtruyền nhiệt ổn định là quá trình mà nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổitheo thời gian Quá trình truyền nhiệt không ổn định là quá trình mà nhiệt độ thay đổi theokhông gian và thời gian

Quá trình truyền nhiệt không ổn định thường xảy ra trong quá trình làm việc gián đoạn hoặctrong giai đoạn đầu và cuối của quá trình liên tục Thiết bị truyền nhiệt liên tục 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 cứuquá trình truyền nhiệt không ổn định nhằn mục đích chính là điều khiển các quá trình không

ổn định để đưa về ổn định, ngoài ra lý thuyết vè truyền nhiệt không ổn định khá phức tạp

Do đó trong chương trình này chỉ xét về quá trình truyền nhiệt ổn định

Quá trình truyền nhiệt là quá trình một chiều, nghĩa là nhiệt lượng chỉ truyền ở nơi có nhiệt

độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp và truyền từ vật này sang vật kháchay từ không gian nàysang một không gian khác theo một phương tnhức cụ thể nào đó hoặc là tổ hợp các nhiềuphương thức Các phương thức truyền nhiệt về cơ bản gồm dẫn nhiệt, nhiệt đối lưu, bức xạTrong 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

Quá trình truyền nhiệt giữa 2 dong lưu chất qua một bề mặt ngăn cách rất thường gặp trongcác lĩnh vực công nghiệp hóa chất, thực phẩm, hóa dầu Trong đó nhiệt lượng do dòng nóngchảy ra sẽ được dòng lạnh thu vào Mục đích của quá trình là thực hiện gia đoạn nào đótrong qui trình công nghệ, đó có thể là đun nóng, làm nguội, ngưng tụ hay bốc hơi Tùy vàobản chất hóa trình mà ta sẽ bố trí phân bố của các dong sao cho giảm tổn thất, tăng hiệu suấtcủa quá trình

Hiệu suất của quá trình trao đổi nhiệt cao hay thấp tùy thuộc và cách ta bố trí thiết bị, điềukiện 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 nóngtỏa ra:

QN = GN.C N∆TN (2.1)-Nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào:

QL = GL.CL ∆TL (2.2)-Nhiệt lượng tổn thất (phần nhiệt lượng mà dòng nóng tỏa ra nhưng dòng lạnh không thu vàođược có thể do trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh):

Qf = Q - QN L (2.3)-Cân bằng nhiệt lượng:

QN = Q + Q (2.4)L f Mặt khác nhiệt lượng trao đổi cũng có thể tính theo công thức:

Q = K.F.∆tlog (2.5)

Từ (2.5) ta thấy 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 bố trí dòng chảy

Trường hợp ngược chiều

Hình 2.1: Đặc trưng thay đổi nhiệt độ khi chảy ngược chiều

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

∆ t 1 = T – T (2.7)Nv Lr

∆ t 2 = T – T (2.8)Nr Lv

Nếu ∆t1 > ∆ t 2 {∆ tmax =∆t 1

∆ tmin ∆ t= 2

Nếu ∆ t 1 < ∆t2 {∆ tmax =∆t 2

∆ tmin =∆ t 1

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

Hình 2.2: Đặc trưng thay đổi nhiệt độ khi chảy xuôi chiều

∆tmax = ∆t1 = T – TNv Lv

∆tmin = ∆t2 = T – TNr LrNếu trong quá trình truyền nhiệt tỷ số ∆ tmax

∆ tmin < 2 thì hiệu số nhiệt độ trung bình ∆ tlog có thể được tính gần đúng công thức sau:

∆ tlog = ∆ tmax ∆ tmin+

2 (2.9)Hiệu suất nhiệt độ trong các quá trình truyền nhiệt của dòng nóng và dòng lạnh lần lượt:

Ƞ hi = Ƞ N +Ƞ L

2 (2.12)

Hiệu suất của quá trình truyền nhiệt:

Ƞ = Q L

QN 100% (2.13)Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm:

KTN¿ Q

F Δtlog (2.14)Trong đó: Với: F = π d Ltb

Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt nhiệt loại ống chùm

Sơ đồ hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt loại ống xoắn

Hình 2.4: 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 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 (thùnglạnh) được nối vào 2 bơm tương ứng bơm nóng và bơm lạnh để dẫn 2 dòng𝑩𝑵 𝑩𝑳

nóng và lạnh vào lần lượt 2 thiết bị truyền nhiệt loại ống xoắn qua 2 thiết bị đo lưulượng loại rotamet

Sự phân bố các dòng lưu chất vào thiết bị được điều chỉnh qua hệ thống van 𝑽𝑳𝒊 và 𝑽𝑵𝒋 (𝑖 = 1

÷ 9, = 1 ÷ 7) Lưu lượng của dòng nóng và dòng lạnh được điều chỉnh nhờ 2 van 𝑗 V N và V L Nhiệt độ đầu vào và ra của các dòng lần lượt được xác định nhờ các đầu cảm biến nhiệt độcủa cặp nhiệt điện loại K và truyền tín hiệu về tủ điều khiển và hiển thị trên đồng hồ hiển thịRTC

Nước trong thùng chứa nước nóng sẽ được gia nhiệt nhờ điện trở 3KW có kết nối với bộđiều kiển ON/OFF trên tủ điều khiển để khống chế nhiệt độ trong thùng chứa theo yêu cầuthí nghiệm

Chú ý: Đối với các van V Li và V Nj khi đóng thì phải đóng hoàn tàn, khi mở thì phải mở hoàntoàn

Hình 2.5: Sơ đồ tủ điện

Hệ thống 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

2.4.2 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 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

o Lưu lượng kế không hoạt động

o Tiếng kêu động cơ lớn hơn bình thường

o Bung một số khớp nối mềm (nếu có)

o Xì nước ở roăn mặt bích

o Có khả năng hỏng bơm (bốc mùi khét)

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 1-3 phút điện trở sẽ hỏng (trường hợp nàysinh viên hoặc tổ trực tiếp thực hành phải bồi thường do sự bất cẩn của mình)

-Phải xác định được các vị trí đầu dò nhiệt độ, quan trọng đó là nhiệt độ nóng vào và nóng

ra, lạnh ra nếu việc đánh số trên các đầu dò không khớp mô hình ở sơ đồ thì sinh viên có thể dùng phán đoán như sau:

o Nhiệt độ cài đặt luôn cao nhất (T9)

o Nhiệt độ nóng vào cao thứ nhì (T1; T5)

o Nhiệt độ lạnh vào luôn thấp nhất (T2; T4; T6; T8)

o Nhiệt độ 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 (V , V )L1 N1

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

Các bước tiến hành

-Bước 1: Mở van cho nước vào khoảng 2/3 thể tích thùng chứa

-Bước 2: Mở công tắc tổng cấp nguồn cho tủ điện, mở công tắc điện trở và cài đặt nhiệt độ cho thùng nóng ở 70 C 0

-Bước 3: Điều chỉnh lưu lượng dòng nóng (tránh điều chỉnh ở nhiệt độ cao sẽ làm hư lưu lượng kế)

-Bước 4: Điều chỉnh đóng mở van để phù hợp với trường hợp chảy xuôi dòng

-Bước 5: Đợi nước trong thùng nóng TN đạt đến nhiệt độ thích hợp thì tiến hành trao đổi nhiệt

-Bước 6: Ghi lại các thông số nhiệt độ dòng nóng, nhiệt độ dòng lạnh, lưu lượng dòng nóng, lưu lượng dòng lạnh trong quá trình trao đổi nhiệt

Các lưu ý

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

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

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

-Khi mở bơm khởi động phải mở van hoàn lưu

-Khi điều chỉnh lưu lượng cần điều chỉnh lưu lượng dòng nóng trước và điều chỉnh xong chodòng 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

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

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 hiệntượng như sau:

o Lưu lượng kế không hoạt động

o Tiếng kêu động cơ lớn hơn bình thường

o Bung một số khớp nối mềm (nếu có)

o Xì nước ở roăn mặt bích

o Có khả năng hỏng bơm (bốc mùi khét)

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 1-3 phút điện trở sẽ hỏng (trường hợp nàysinh viên hoặc tổ trực tiếp thực hành phải bồi thường do sự bất cẩn của mình)

-Phải xác định được các vị trí đầu dò nhiệt độ, quan trọng đó là nhiệt độ nóng vào và nóng

ra, lạnh ra nếu việc đánh số trên các đầu dò không khớp mô hình ở sơ đồ thì sinh viên có thể dùng phán đoán như sau:

o Nhiệt độ cài đặt luôn cao nhất (T9)

o Nhiệt độ nóng vào cao thứ nhì (T1; T5)

o Nhiệt độ lạnh vào luôn thấp nhất (T2; T4; T6; T8)

o Nhiệt độ 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 (V , V )L1 N1

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

Các bước tiến hành

Bước 1: Mở van cho nước vào khoảng 2/3 thể tích thùng chứa

-Bước 2: Mở công tắc tổng cấp nguồn cho tủ điện, mở công tắc điện trở và cài đặt nhiệt độ cho thùng nóng ở 70 C 0

-Bước 3: Điều chỉnh lưu lượng dòng nóng (tránh điều chỉnh ở nhiệt độ cao sẽ làm hư lưu lượng kế)

-Bước 4: Điều chỉnh đóng mở van để phù hợp với trường hợp chảy ngược chiều

-Bước 5: Đợi nước trong thùng nóng TN đạt đến nhiệt độ thích hợp thì tiến hành trao đổi nhiệt

-Bước 6: Ghi lại các thông số nhiệt độ dòng nóng, nhiệt độ dòng lạnh, lưu lượng dòng nóng, lưu lượng dòng lạnh trong quá trình trao đổi nhiệt

Các lưu ý

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

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

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

-Khi mở bơm khởi động phải mở van hoàn lưu

-Khi điều chỉnh lưu lượng cần điều chỉnh lưu lượng dòng nóng trước và điều chỉnh xong chodòng 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

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 C0

-Tắt công tắc tổng

-Tắt cầu dao nguồn

-Chờ nước nguội dưới 50 C 0

-Xả nước trong các thùng

-Khóa van nước nguồn cấp

-Vệ sinh máy và khu vực máy

-Ghi chép vào sổ nhật ký sử dụng máy

69,466,864,464,0

59,656,255,455,1

40,239,139,339,0

38,536,536,235,0

10− 4

101,33.10-41,667.10-42.10-4

68,366,365,763,7

56,854,353,150,2

4039,739,738,9

35,235,034,433,87

1,67.10− 4

10-41,33.10-41,667.10-42.10-4

61,860,859,858,5

51,951,050,550,0

39,039,038,938,8

34,135,633,833,5

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

V N (l/p) Vn (m 3 /s) V L (m 3 /s) N R ( 0 C) N V ( 0 C) L R ( 0 C) L V ( 0 C)

5

8,333.10− 5

10-41,33.10-41,667.10-42.10-4

58,658,558,058,0

69,869,669,0 68,9

41,341,040,740,0

37,237,237,036,86

10− 4

10-41,33.10-41,667.10-42.10-4

58,257,857,456,9

68,368,268,067,4

40,239,638,438,0

35,634,834,233,1 7

1,67.10− 4

10-41,33.10-41,667.10-42.10-4

57,156,656,055,4

67,267,066,866,7

38,137,536,936,4

30,730,230,130,1

XỬ LÝ SỐ LIỆU

➢Giả sử tính cho phần VN = 5 và VL = 6 cha thí nghiê \m xuôi chiều

❖Hiệu suất nhiệt độ

Hiệu suất cha quá trình truyền nhiệt:

Đổi lưu lượng thể tích sang lưu lượng khối lượng:

❖Nhiệt lượng dòng nóng, nhiệt lượng dòng lạnh và nhiệt lượng tổn thất

69,869,669,0 68,9

41,341,040,740,0

37,237,237,036,8

6

10− 4

10-41,33.10-41,667.10-42.10-4

58,257,857,456,9

68,368,268,067,4

40,239,638,438,0

35,634,834,233,1

7

1,67.10− 4

10-41,33.10-41,667.10-42.10-4

57,156,656,055,4

67,267,066,866,7

38,137,536,936,4

30,730,230,130,1

❖ Hiệu suất nhiệt độ

η N=T Nv −T Nr

T Nv −T Lr

= 69,8 −58,6

69,8 41,3− ×100 %=39,30 %

Hiệu suất cha quá trình truyền nhiệt:

Đổi lưu lượng thể tích sang lưu lượng khối lượng:

ĐỒ THỊ

Trường hợp xuôi chiều:

Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa hệ số truyền nhiệt thực nghiệm và lý thuyết

Trường hợp ngược chiều

Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa hệ số truyền nhiệt thực nghiệm và lý thuyết

NHẬN XÉT VÀ BÀN LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phạm Xuân Toản, Quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 3: Quá trình và thiết bị truyền nhiệt, NXB Khoa học kỹ thuật, 2008

[2] Phạm Văn Bôn, Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm, Bài tập truyền nhiệt, NXB ĐH Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2004

[3] Tập thể tác giả, Bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt – truyền khối: Quá trình và thiết bị công nghệ hóa và thực phẩm, NXB ĐH Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2012