Thực hành thiết bị truyền nhiệt vỏ ống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC BÁO CÁO THỰC HÀNH CÁC Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CƠNG NGHỆ HĨA HỌC GVHD: Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Niên khóa: 2015-2019 Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2018 Table of Contents THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG GIỚI THIỆU MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM .4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương trình biểu diễn trình truyền nhiệt .5 Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit: Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm Tính αN αL .5 Tính hệ số truyền nhiệt lý thuyết TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Chuẩn bị Các lưu ý .7 Thiết bị ống xoắn thủy tinh KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Kết tính tốn Nhận xét 22 THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG GIỚI THIỆU Trong công nghiệp đặc biệt lĩnh vực công nghệ hóa học, thực phẩm mơi trường biến đổi vật chất luôn kèm theo tỏa nhiệt hay thu nhiệt cần phải có nguồn thu lượng (thiết bị làm lạnh hay ngưng tụ) hay nguồn tỏa nhiệt (thiết bị gia nhiệt, đun sơi) Q trình truyền nhiệt phân biệt thành trình truyền nhiệt ổn định khơng ổn định Q trình truyền nhiệt ổn định q trình mà nhiệt độ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian Q trình truyền nhiệt khơng ổn định q trình mà nhiệt độ thay đổi theo khơng gian thời gian Q trình truyền nhiệt không ổn định thường xảy thiết bị làm việc gián đoạn giai đoạn đầu cuối q trình liên tục Còn q trình truyền nhiệt ổn định thường xảy thiết bị làm việc liên tục Trong thực tế thiết bị truyền nhiệt thường làm việc chế độ liên tục, việc nghiên cứu q trình truyền nhiệt khơng ổn định nhằm mục đích điều khiển q trình không ổn định để đưa trạng thái ổn định, ngồi lý thuyết truyền nhiệt khơng ổn định phức tạp Do đó, chương trình xét đến trình truyền nhiệt ổn định Quá trình truyền nhiệt trình chiều, nghĩa lượng truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nhiệt độ thấp truyền từ vật sang vật khác hay từ không gian sang không gian khác thường theo phương pháp cụ thể tổ hợp nhiều phương thức (truyền nhiệt phức tạp) Các phương pháp truyền nhiệt gồm dẫn nhiệt, nhiệt đối lưu, xạ Trong thực hành tiếp cận thiết bị truyền nhiệt loại vỏ ống, trình truyền nhiệt xem truyền nhiệt biến nhiệt ổn định MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM  Sinh viên biết vận hành thiết bị truyền nhiệt, hiểu ngun lí đóng mở van để điều chỉnh lưu lượng, hướng dòng chảy, biết cố xảy cách xử lí tình  Khảo sát trình truyền nhiệt đun nóng làm nguội gián tiếp hai dòng qua bề mặt ngăn cách ống lồng ống, ống chùm ống xoắn…  Tính tốn hiệu suất toàn phần dựa vào cân nhiệt lượng lưu lượng dòng khác  Khảo sát ảnh hưởng chiều chuyển động lên trình truyền nhiệt hai trường hợp xuôi chiều ngược chiều  Xác định hệ số truyền nhiệt thực ngiệm KTN thiết bị từ so sánh với kết tính tốn theo lý thuyết KLT CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Nhiệt lượng dòng nóng tỏa ra: - QN = GN CN(TNV-TNR) Nhiệt lượng dòng lạnh thu vào: QL = GL.CL.(TLR-TLV) Nhiệt lượng tổn thất: Qf = QN - QL Cân nhiệt lượng: QN = Q L + Q f Trong : GN, GL : lưu lượng dòng nóng lạnh, kg/s CN, CL : nhiệt dung riêng trung bình dòng nóng dòng lạnh (J/kg.K) TNV, TNR : nhiệt độ vào dòng nóng, 0C TLR,TLV : nhiệt độ vào dòng lạnh , 0C Phương trình biểu diễn q trình truyền nhiệt Q = Kl tlog F Trong đó: F: kích thước ống, m Kl : hệ số truyền nhiệt, W/mK tlog : chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit, K Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit: Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm Trong đó: dtb: Đường kính trung bình ống truyền nhiệt n: Số ống truyền nhiệt Tính αN αL - Chuẩn số Reynolds Vận tốc dòng chảy: - Chuẩn số Prandtl - Chuẩn số Nuselt (m/s) 0,25 Nu  0.158.Re 10 < Re < 2000 0.33 => 2300 < Re < 10000 Nu  0.008.Re0.8 Pr 0.43  k Pr 0.43 �Pr � Gr � �  k �PrV � => 0.1 Re >10000 => 0,25 Nu  0.021. k Re Pr 0.8 0.43 �Pr � � � �PrT � Tính αN αL - Tính hệ số truyền nhiệt lý thuyết Ta có nên áp dụng cơng thức tường phẳng TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Chuẩn bị  Trước mở bơm phải đảm bảo hệ thống van phải phù hợp,tránh trường hợp mở bơm mà khơng có dòng chảy gặp tượng sau: + Lưu lượng kế không hoạt động + Tiếng kêu động lớn bình thường + Bung số khớp nối mềm + Xì nước roăng mặt bích  Bật cơng tắc tổng  Mở nắp thùng chứa nước nóng TN nước lạnh TL kiểm tra mực nước có thùng Mực nước chiếm 3/4 thùng Trước cho nước vào thùng phải đóng van xả đáy thùng VN7 VL10 sau đậy nắp thùng lại  Cài đặt nhiệt độ ban đầu 900C  Bật công tắc điện trở để gia nhiệt thùng nóng  Khi nhiệt độ thùng chứa nước nóng TN đạt giá trị cài đặt ban đầu bắt đầu tiến hành thí nghiệm Các lưu ý   Trước mở điện trở phải đảm bảo thùng có nước 2/3 thùng Trước mở điện trở phải đảm bảo thùng có nước    Trước mở điện trở phải đảm hệ thống van phù hợp Khi mở bơm khởi động phải mở van hoàn lưu Nhiệt độ đầu vào mối thí nghiệm phải giống Thiết bị ống xoắn thủy tinh  Trường hợp xi dòng  Điều chỉnh dòng nóng  Khi nước thùng nước nóng TN đạt nhiệt độ cài đặt ban đầu, tiến hành     thí nghiệm Mở van VN1, VN2, VN3, VN5, VN Đóng van VN4, VN6 Bật bơm nóng BN Dùng van VN để điều chỉnh lưu lượng dòng nóng theo u cầu thí nghiệm Chú ý trường hợp lưu lượng khơng đạt đến giá trị thí nghiệm đóng từ từ van VN1 cho đạt giá trị thí nghiệm  Khi lưu lượng đạt giá trị cần thí nghiệm mở van V N4, đóng van VN2 VN3 Chú ý lúc dòng nóng khơng qua lưu lượng kế đạt giá trị     cần thí nghiệm  Điều chỉnh dòng lạnh Mở van VL1, VL, VL3, VL7, VL8 Đóng van VL2, VL5, VL6, VL9 Bật bơm lạnh BL Dùng van VL để điều chỉnh lưu lượng dòng lạnh theo yêu cầu thí nghiệm Chú ý trường hợp lưu lượng khơng đạt đến giá trị thí nghiệm đóng từ từ van VL1 cho đạt giá trị thí nghiệm  Ghi kết thí nghiệm Khi điều chỉnh lưu lượng dòng nóng lạnh xong đợi khoảng phút ghi nhiệt độ dòng: + Nhiệt độ dòng nóng vào T6, nóng T8 + Nhiệt độ dòng lạnh vào T5, lạnh T7  Trường hợp ngược dòng  Điều chỉnh dòng nóng - Khi nước thùng nước nóng TN đạt nhiệt độ cài đặt ban đầu, tiến hành thí nghiệm - Mở van VN1, VN2, VN3, VN5, VN - Đóng van VN4, VN6 - Bật bơm nóng BN - Dùng van VN để điều chỉnh lưu lượng dòng nóng theo u cầu thí nghiệm Chú ý trường hợp lưu lượng khơng đạt đến giá trị thí nghiệm đóng từ từ van VN1 cho đạt giá trị thí nghiệm - Khi lưu lượng đạt giá trị cần thí nghiệm mở van V N4, đóng van VN2 VN3 Chú ý lúc dòng nóng khơng qua lưu lượng kế đạt giá trị cần thí nghiệm  Điều chỉnh dòng lạnh - Mở van VL1, VL, VL2, VL7, VL8, VL5 - Đóng van VL3, VL4, VL9, VL6 - Bật bơm lạnh BL - Dùng van VL để điều chỉnh lưu lượng dòng lạnh theo yêu cầu thí nghiệm Chú ý trường hợp lưu lượng khơng đạt đến giá trị thí nghiệm đóng từ từ van VL1 cho đạt giá trị thí nghiệm  Ghi kết thí nghiệm - Khi điều chỉnh lưu lượng dòng nóng lạnh xong đợi khoảng phút ghi nhiệt độ dòng + Nhiệt độ dòng nóng vào T6, nóng T8 + Nhiệt độ dòng lạnh vào T7, lạnh T5 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Kết tính tốn Trường hợp xi chiều Bảng Kết thực nghiệm TNv O C 75 73 72 70 71 69 64 63 59 57 56 56 54 53 52 51 SST 10 11 12 13 14 15 16 Tính toán TNr O C 51 52 50 48 60 59 51 53 55 52 51 50 52 51 50 49 TLv O C 17 17 17 16 15 15 15 15 15 15 15 15 14 14 14 14 TLr O C 34 37 35 33 35 38 35 33 40 38 36 35 40 38 36 34 VN (l/p) VL (l/p) 10 10 10 10 10 13 16 = 34 – 17 = 17 OC = 75 – 51 = 24 OC Hiệu suất nhiệt độ dòng nóng: = 100% = = 58.54% Hiệu suất nhiệt độ dòng lạnh = 100% = = 41.46% Hiếu suất nhiệt độ hữu ích q trình truyền nhiệt: = = = 50% Bảng Kết tính tốn hiệu suất hiệu suất nhiệt độ dòng nóng, dòng lạnh hiệu suất nhiệt độ hửu ích STT TN (oC) TL (oC) (%) (%) (%) 24 17 58.54 41.46 50 21 20 58.33 55.56 56.94 22 18 59.46 48.65 54.05 22 17 59.46 45.95 52.70 11 20 30.56 55.56 43.06 10 23 32.26 74.19 53.23 13 20 44.83 68.97 56.90 10 18 33.33 60.00 46.67 25 21.05 131.58 76.32 10 23 26.32 121.05 73.68 11 21 25.00 105.00 65 12 20 28.57 95.24 61.90 13 26 14.29 185.71 100 14 24 13.33 160.00 86.67 15 22 12.50 137.50 75 16 20 11.76 117.65 64.71 Tính tốn hiệu suất truyền nhiệt:   Tính : Tn = 63 OC Tính Tl = = 25.5 OC GN= VN = GL= VL = = 0.1145 (kg/s) = 0.0665 (kg/s) Tính nhiệt lượng dòng nóng, dòng lạnh, nhiệt tổn thất Với : CN nội suy theo nhiệt độ bảng tính chất vật lý nước CN = CL= 4,18.103 J/kg.K khoảng nhiệt độ Cân lượng dòng lỏng trao đổi nhiệt gián tiếp: Nhiệt lượng dòng nóng tỏa ra: = = 24 = 11486.6 (W) Nhiệt lượng dòng lạnh thu vào: = = = 4722.7 (W) Nhiệt lượng tổn thất: = = 11486.6 – 4722.7 = 6766.9 (W) Hiệu suất trình truyền nhiệt: = 100% = 100% = 41.1% Bảng Kết tính tốn hiệu suất q trình truyền nhiệt ST T o o C kg/m3 kg/m3 GN (kg/s) 24 17 981.7 996.9 0.1145 21 20 981.9 996.5 0.1146 22 18 982.7 996.8 0.1147 22 17 983.8 997.2 0.1148 0.166 10554 11809.6 11 20 980.3 997.0 0.163 0.066 7512.5 5556.8 10 23 981.1 996.6 0.163 0.099 6835.3 9581.8 13 20 984.5 997.0 0.164 0.132 8916.7 11113.6 10 18 984.3 997.3 0.164 0.166 6857.3 12505 25 984.8 996.4 0.213 0.066 3567.6 6941.5 10 23 986.0 996.6 0.213 0.099 4465.1 9581.8 C GL (kg/s) 0.066 0.099 0.132 9 QN (W) QL (W 11489.6 4722.7 10056 10543 8330.9 9999.7 Qf (W) 6766 1725 543.9 1254 1955 2746 2196 5648 3373 5116.7 (%) 41.10 82.84 94.84 111.89 73.97 140.1 124.6 182.3 194.5 214.5 11 21 986.5 996.9 0.213 12 20 986.8 997.0 0.213 0.166 13 26 986.8 996.5 14 24 987.2 996.8 15 22 987.7 997.0 16 20 988.1 997.3 0.263 0.263 0.263 0.263 0.066 0.099 0.132 0.166 7200 8530 0.132 4467.3 11667.8 5362.0 13892 2199.8 7220.1 -5020 2200.9 9999.7 -7799 12224 13895 10023 11692 2201.9 2202.9 261.1 259.0 328.2 454.3 555.2 630.7 Tính tốn hệ số truyền nhiệt: = 75 – 17 = 58 OC = 51 – 34 = 17 OC = = = 33.4 O C Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm: = = = 9mm = = 0.35 = = = 982.85 (W/m2.K) Bảng Kết tính tốn hệ số truyền nhiệt thực nghiệm STT QN (W) 11489.6 10056.1 10543.5 10554.7 7512.5 6835.3 8916.7 6857.3 3567.6 tmax (oC) 58 56 55 54 56 54 49 48 44 tmin (oC) 17 15 15 15 25 21 16 20 15 10 tlog (oC) 33.4 31.1 30.8 30.4 38.4 34.9 29.5 32.0 26.9 KTN (W/m2.K) 982.6 923.1 978.5 990.5 558.4 558.9 864.1 612.6 378.3 10 11 12 13 14 15 16 4465.1 4467.3 5362 2199.8 2200.9 2201.9 2202.9 42 41 41 40 39 38 37 14 15 15 12 13 14 15 25.5 25.9 25.9 23.3 23.7 24.0 24.4 500.6 493.6 592.5 270.3 265.7 261.7 258.3 Tính tốn KLT = (chuyển tường ống qua tường phẳng ) Ta có (m), đồng: = 93 (w/mK) Cần tính Tính hệ số cấp nhiệt (dòng nóng)  Chuẩn số Reynolds: Re = = = 35850.55 = 1.83m/s độ nhớt dòng nóng, nội suy theo nhiệt độ bảng tính chất vật lý nước nhiệt độ 63 OC Pa.s  Chuẩn số Prandtl: Pr = 63 OC = W/m.K  Tính chuẩn số Nusselt: Do Re = 35850.55 > 10000 nên: Nu = 0,021 = =145 ( = , ) 11 = 2.85 = = 10660.72 Tính hệ số cấp nhiệt (dòng lạnh) = = 672.64 Re = = 0.024 m/s Trong đó: vận tốc dòng lạnh: = 0.151(m) độ nhớt dòng lạnh, nội suy theo nhiệt độ bảng tính chất vật lý nước 25 OC = 892.2.10-6 Pa.s  Chuẩn số Prandtl: = = 6.12 25.5 OC = W/m.K Tính chuẩn số Nusselt: Do Re = 672.64 < 2300 Chảy tầng Nên Nu = 0,158 = = 4.23 = = = 36.59 = 16.69 = = = 16.67 = Bảng Kết quản tính tốn chuẩn số Reynold 12 STT (m3/s) 1.83 1.83 1.83 1.83 2.62 2.62 2.62 2.62 3.41 10 3.41 11 3.41 12 3.41 13 4.19 14 4.19 15 4.19 16 4.19 (m3/s) 0.0037 0.0055 0.0074 0.0093 0.0037 0.0055 0.0074 0.0093 0.0037 0.0055 0.0074 0.0093 0.0037 0.0055 0.0074 0.00931 Kg/m s Kg/m s 451 892.2 454 862.8 463.6 882.4 477.9 811.8 434.8 902 444.4 872.6 489.8 902 485.8 921.6 493.7 853 513.5 872.6 521.4 892.2 525.3 902 525.3 862.8 533.2 882.4 541.1 902 549 921.6 ReN ReL 35944 35714 35003 33994 53187 52080 47416 47797 628.422 974.362 1270.67 1727.17 621.656 963.516 1243.31 1521.54 656.971 963.516 1256.84 1554.14 61173.7 58886 58023 57610 70905 69883 68897 67933.7 STT PrN PrL NuN NuL 2.85 6.12 145.3 4.14 13 W/m.độ W/m.đ ộ 66.17 60.95 66.13 61.23 65.99 61.04 65.79 60.76 66.4 60.85 66.26 61.14 65.63 60.85 65.68 60.66 65.57 61.33 65.3 61.14 65.19 60.95 65.13 60.85 65.13 61.23 65.02 61.04 64.91 60.85 64.8 60.66 649.575 953.006 1243.31 1521.547 W/m2.độ W/m2.độ 10682.3 16.69 KLT 16.67 2.87 5.89 145.0 4.35 10654.19 17.66 17.62 2.94 6.04 144.1 4.51 10566.14 18.21 18.18 3.04 5.58 142.8 4.56 10439.32 18.36 18.33 2.74 6.20 195.4 4.12 14415.43 16.59 16.57 2.80 5.97 194.1 4.34 14291.55 17.55 17.53 3.12 6.20 188.5 4.45 13749.47 17.92 17.89 3.09 6.35 189.0 4.56 13794.99 18.31 18.28 3.15 5.81 232.1 4.03 16906.18 16.39 16.37 10 3.29 5.97 229.3 4.23 16639.05 17.12 17.10 11 3.34 6.12 228.3 4.37 16536.14 17.65 17.62 12 3.37 6.20 227.8 4.50 16485.96 18.12 18.10 13 3.37 5.89 269.0 3.99 19465.05 16.20 16.18 14 3.43 6.04 267.8 4.19 19345.47 16.95 16.94 15 3.48 6.20 266.6 4.33 19229.71 17.47 17.45 16 3.54 6.35 265.5 4.44 19114.57 17.84 17.82 Bảng Bảng kết tính toán hệ số truyền nhiệt lý thuyết 14 Đồ thị 1200.0 1000.0 800.0 600.0 400.0 200.0 0.0 VN = (l/p) VN = 10 (l/p) VL1 (l/p) VL2 (l/p) VN =13 (l/P) VL3 (l/p) VN =16 (l/p) VL4 (l/p) Đồ thị biểu mối quan hệ lưu lượng KTN 18.5 18.0 17.5 KLT (W/m2.K 17.0 16.5 16.0 15.5 15.0 VN = (l/p) VN = 10 (l/p) VL1 (l/p) VN =13 (l/P) VL2 (l/p) VL3 (l/p) VL4 (l/p) Đồ thị biểu thị mối quan hệ lưu lượng KLT 15 VN =16 (l/p) 1000.00 800.00 600.00 400.00 200.00 0.00 KLT KTN Đồ thị biểu diển mối quan hệ KLT KTN 5.1.1.3 Nhận xét Nhìn vào đồ thị biểu diển mối quan hệ K LT KTN ta thấy KLT KTN có chênh lệch lớn Nguyên nhân nhiệt độ dòng lỏng vào khơng xác (có thể cảm biến nhiệt độ dòng lỏng vào bị hư hỏng), ta tiến hành thực nghiệm nhiệt độ thường (nhiệt độ phòng) kết cho nhiệt độ dòng lạnh vào khoảng 17 OC 5.1.2 Trường hợp ngược chiều Bảng Kết thực nghiệm SST SST TNv O C 73 72 71 69 TNv O C 68 67 TNr O C 48 49 47 46 TNr O C 58 56 TLv O C 29 28 28 28 TLv O C 28 28 16 TLr O C 30 31 34 35 TLr O C 32 25 VN (l/p) VN (l/p) 10 VL (l/p) 10 VL (l/p) 10 11 12 13 14 15 16 65 64 63 62 61 60 58 57 56 55 54 53 56 55 53 51 53 53 51 50 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 22 20 29 28 24 22 27 28 24 21 10 10 10 13 16 5.1.2.1 Tính tốn Bảng Hiệu suất nhiệt độ TN tN tL TNv-tLr N(%) L(%) hi(%) 25 43 58.14 2.3 30.22 23 41 56.1 7.3 31.7 24 37 64.86 16.2 40.53 23 31 74.2 22.58 48.39 (%) Bảng Hiệu suất truyền nhiệt TN GN GL QN QL Qf (kg/s) (kg/s) (W) (W) (W) 0.116 0.0663 12004.35 277.13 11727.22 1.89 0.116 0.0995 11044 1247.7 9796.3 11.3 0.116 0.1326 11524.17 3325.6 8198.57 28.85 0.116 0.1658 11044 4851.3 6192.7 43.92 Bảng Hệ số truyền nhiệt TN QN tmax tmin tlog KTN N L KLT 12004.3 43 19 31 1106.4 19456 16.12 16.1 17 11044 41 21 31 1017.8 19435 16.32 16.2 11524.17 37 19 28 1175.93 19425 16.25 16.23 11044 34 18 26 1213.6 19411.1 16.07 16.35 Nhận xét Trong lưu lượng nóng nhau, tăng lưu lượng dòng lạnh hệ số truyền nhiệt tăng dần Hệ số truyền nhiệt đặc trưng cho lượng nhiệt truyền từ lưu thể nóng đến lưu thể nguội qua 1m2 bề mặt tường phẳng đơn vị thời gian hiệu số chênh lệch nhiệt độ lưu thể độ Hệ số truyền nhiệt lớn thì lượng nhiệt mà lưu thể lạnh nhận từ lưu thể nóng tăng 18 ... thức (truyền nhiệt phức tạp) Các phương pháp truyền nhiệt gồm dẫn nhiệt, nhiệt đối lưu, xạ Trong thực hành tiếp cận thiết bị truyền nhiệt loại vỏ ống, trình truyền nhiệt xem truyền nhiệt biến nhiệt. .. lượng (thiết bị làm lạnh hay ngưng tụ) hay nguồn tỏa nhiệt (thiết bị gia nhiệt, đun sơi) Q trình truyền nhiệt phân biệt thành q trình truyền nhiệt ổn định khơng ổn định Q trình truyền nhiệt ổn... định thường xảy thiết bị làm việc gián đoạn giai đoạn đầu cuối trình liên tục Còn q trình truyền nhiệt ổn định thường xảy thiết bị làm việc liên tục Trong thực tế thiết bị truyền nhiệt thường làm