Thiết bị truyền nhiệt vỏ ống

Trong công nghiệp đặc biệt là lĩnh vực công nghệ hóa học, thực phẩm và môi trường sự biến đổi 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 thiết bị tỏa nhiệt (thiết bị gia nhiệt, đun sôi). Quá trình truyền nhiệt được phân thành quá trình truyền nhiệt ổn định và quá trình truyền nhiệt không ổn định. Quá trình truyền nhiệt ổn định thường xảy ra trong thiết bị hoạt động liên tục, trong thực tế các thiết bị thường làm việc ở chế độ liên tục, nên ta chỉ xét đến quá trình truyền nhiệt ổn định. quá trình truyền nhiệt là quá trình một chiều, nghĩa là nhiệt chỉ truyền đi từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp và truyền từ vật này sang vật khác từ không gian này sang không gian khác thường theo 3 phương thức cơ bản gồm: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Trong bài này chúng ta sẽ tiếp cận thiết bị truyền nhiệt vỏ ống cụ thể là thiết bị truyền nhiệt ống xoắn. Trong thiết bị này, quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng lưu chất qua một bề mặt ngăn cách (truyền nhiệt gián tiếp). Trong đó nhiệt dòng nóng tỏa ra sẽ được dòng lạnh thu vào. Mục đích của quá trình có thể là đun nóng làm nguội,... trong bài này chúng ta phải 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. 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 dộng 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 giữa 2 loại thiết bị thủy tinh và thiết bị inox, từ đó hiểu được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt như lưu lượng dòng và chiều chuyển động lưu chất. tùy thuộc vào bản chất quá trình mà ta sẽ bố trí sự phân bố các dòng sao cho giảm tổn thất tăng hiệu suất. Hiệu suất trao đổi nhiệt cao hay thấp tùy thuộc cách bố trí thiết bị điều kiện hoạt động đặc biệt là chiều chuyển động của dòng có ý nghĩa rất quan trọng.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC BÁO CÁO THỰC HÀNH CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CƠNG NGHỆ HĨA HỌC BÀI: THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG Giáo viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Minh Tiến Sinh viên thực hiện: Võ Minh Sơn MSSV: 16018301 Lớp: DHHO12A Tổ Ngày thực hành: 03/10/2019 THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG Tóm tắt Trong cơng nghiệp đặc biệt lĩnh vực cơng nghệ hóa học, thực phẩm môi trường biến đổi vật chất luôn kèm theo tỏa nhiệt hay thu nhiệt cần phải có nguồn thu lượng nhiệt (thiết bị làm lạnh hay ngưng tụ) hay thiết bị tỏa nhiệt (thiết bị gia nhiệt, đun sơi) Q trình truyền nhiệt phân thành trình truyền nhiệt ổn định q trình truyền nhiệt khơng ổn định Q trình truyền nhiệt ổn định thường xảy thiết bị hoạt động liên tục, thực tế thiết bị thường làm việc chế độ liên tục, nên ta xét đến trình truyền nhiệt ổn định trình truyền nhiệt trình chiều, nghĩa nhiệt truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp truyền từ vật sang vật khác từ không gian sang không gian khác thường theo phương thức gồm: dẫn nhiệt, đối lưu xạ Trong tiếp cận thiết bị truyền nhiệt vỏ ống cụ thể thiết bị truyền nhiệt ống xoắn Trong thiết bị này, trình trao đổi nhiệt dòng lưu chất qua bề mặt ngăn cách (truyền nhiệt gián tiếp) Trong nhiệt dịng nóng tỏa dịng lạnh thu vào Mục đích q trình đun nóng làm nguội, phải biết vận hành thiết bị truyền nhiệt, hiểu nguyên lý đóng mở van để điều chỉnh lưu lượng, hướng dòng chảy, biết cố xảy cách xử lý tình Tính tốn hiệu suất tồn phần dựa vào cân nhiệt lượng lưu lượng dòng khác Khảo sát ảnh hưởng chiều chuyển dộng lên trình truyền nhiệt trường hợp xi chiều ngược chiều Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN thiết bị từ so sánh với kết tính tốn theo lý thuyết KLT loại thiết bị thủy tinh thiết bị inox, từ hiểu yếu tố ảnh hưởng đến trình trao đổi nhiệt lưu lượng dòng chiều chuyển động lưu chất tùy thuộc vào chất trình mà ta bố trí phân bố dịng cho giảm tổn thất tăng hiệu suất Hiệu suất trao đổi nhiệt cao hay thấp tùy thuộc cách bố trí thiết bị điều kiện hoạt động đặc biệt chiều chuyển động dịng có ý nghĩa quan trọng Giới thiệu Các trình trao đổi nhiệt dòng lưu chất qua bề mặt ngăn cách thường gặp lĩnh vực cơng nghiệp hóa chất thực phẩm Trong nhiệt dịng nóng tỏa dịng lạnh thu vào Mục đích q trình đun nóng làm nguội, ngưng tụ hay bốc Nhiệt dịng nóng tỏa 𝑄𝑁 = 𝐺𝑁 𝐶𝑁 ∆𝑇𝑁 Nhiệt lượng dòng lạnh thu vào 𝑄𝐿 = 𝐺𝐿 𝐶𝐿 ∆𝑇𝐿 GN , 𝑄𝐿 đổi từ lưu lượng thể tích sang lưu lượng khối lượng: GN = VN GL = VL 10−3 60 10−3 60 𝜌𝑁 𝜌𝐿 𝜌𝑁 , 𝜌𝐿 CN , CL tra bảng theo nhiệt độ nhiệt độ trung bình đầu đầu vào dịng nóng, dịng lạnh Nhiệt tổn thất 𝑄𝑓 = 𝑄𝑁 − 𝑄𝐿 Cân nhiệt lượng 𝑄𝑁 = 𝑄𝐿 + 𝑄𝑓 Nhiệt lượng trao đổi tính theo cơng thức 𝑄 = 𝐾 𝐹 ∆𝑡𝑙𝑜𝑔 Từ công thức ta thấy nhiệt lượng trao đổi phụ thuộc vào kích thước thiết bị F, cách bố trí dịng ∆𝑡𝑙𝑜𝑔 Các cách bố trí dịng chảy: Chảy xi chiều: lưu thể chảy song song chiều Chảy ngược chiều: lưu thể chảy xong xong ngược chiều với Tùy vào cách bố trí mà ta có phương pháp xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích khác nhau: ∆𝑡𝑙𝑜𝑔 = ∆𝑡𝑚𝑎𝑥 − ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 ∆𝑡 𝑙𝑛 𝑚𝑎𝑥 ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 Trường hợp chảy ngược chiều Nhiệt độ lưu thể nóng giảm, nhiệt độ lưu thể nguội tăng ∆𝑡1 = 𝑇𝑁𝑣 − 𝑇𝐿𝑟 ∆𝑡2 = 𝑇𝑁𝑟 − 𝑇𝐿𝑣 Nếu ∆𝑡1 > ∆𝑡2 ⟹ ∆𝑡𝑚𝑎𝑥 = ∆𝑡1 , ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 = ∆𝑡2 Nếu ∆𝑡1 < ∆𝑡2 ⟹ ∆𝑡𝑚𝑎𝑥 = ∆𝑡2 , ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 = ∆𝑡1 Trường hợp hai lưu thể chảy chảy xuôi chiều ∆𝑡𝑚𝑎𝑥 = ∆𝑡1 = 𝑇𝑁𝑣 − 𝑇𝐿𝑣 ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 = ∆𝑡2 = 𝑇𝑁𝑟 − 𝑇𝐿𝑟 Nếu ∆𝑡𝑚𝑎𝑥 ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 < ∆𝑡𝑙𝑜𝑔 tính gần theo công thức sau: ∆𝑡𝑙𝑜𝑔 = ∆𝑡𝑚𝑎𝑥 + ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 Hiệu suất nhiệt độ trình truyền nhiệt dịng nóng dịng lạnh: 𝜂𝑁 = 𝑇𝑁𝑣 − 𝑇𝑁𝑟 100% 𝑇𝑁𝑣 − 𝑇𝐿𝑟 𝜂𝐿 = 𝑇𝐿𝑟 − 𝑇𝐿𝑣 100% 𝑇𝑁𝑣 − 𝑇𝐿𝑟 Hiệu suất nhiệt độ hữu ích 𝜂ℎ𝑖 = 𝜂𝑁 + 𝜂𝐿 Hiệu suất trình truyền nhiệt 𝜂= 𝑄𝐿 100% 𝑄𝑁 Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm 𝐾𝑇𝑁 = 𝑄 𝐹Δ𝑡𝑙𝑜𝑔 Trong đó: 𝐹 = 𝜋 𝑑𝑡𝑏 𝐿, 𝑑𝑡𝑏 = 𝑑𝑛 +𝑑𝑖 đường kính trung bình, m Xác định hệ truyền nhiệt lý thuyết Do 𝑟2 𝑟1 < chuyển từ tường ống sang tường phẳng: 𝐾𝐿𝑇 = 𝛿= 𝑑0 − 𝑑𝑖 1 𝛿 + + 𝛼1 𝜆 𝛼2 (𝑚) , 𝜆𝑡ℎé𝑝 = 17,5 (w/m.k) Tính hệ số cấp nhiệt 𝜶𝟏 (dịng nóng) Nu = 𝛼1 𝑑𝑖 Nu λnước ⟹ 𝛼1 = λnước 𝑑𝑖 Dựa vào chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒 = 𝜔 𝑑𝑖 𝜐 Trong 𝜔 vận tốc dịng nóng: 𝐺𝑁 𝜔= 𝜋 𝑑2 𝑖 𝜐 độ nhớt dịng nóng tra bảng theo nhiệt độ trung bình đầu đầu vào dịng nóng Chuẩn số Prandtl: 𝑃𝑟 = 𝐶𝑁 𝜐.𝜌𝑛ướ𝑐 𝜆𝑑ị𝑛𝑔 𝑛ó𝑛𝑔 𝜆𝑑ị𝑛𝑔 𝑛ó𝑛𝑔 tra bảng theo nhiệt độ trung bình đầu đầu vào dịng nóng Chuẩn số Grashoff ( dựa vào Re sau tính) 𝑔 𝛽 Δ𝑡 𝑙3 𝐺𝑟 = 𝜐2 Với g= 9,81 m/s2 , l đường kính tương đương l=di , 𝛽 hệ số giãn nở thể tính tính 𝛽 = 𝑇 Hệ số hiểu chình 𝜀𝑘 phụ thuộc vào giá trị Re 𝐿 𝑑𝑖 ( tra bảng 1.1 trang 33 sách QT thiết bị truyền nhiệt TT máy thiết bị năm 2009) Tính chuẩn số Nusselt: Nếu dịng chảy xốy: ( Re > 104 ) Nu = 0,021 𝜀𝑘 Re0,8 Pr0,43 (đơn giản cho 𝑃𝑟 𝑃𝑟𝑇 = 1) Nếu dòng chảy độ: ( 2300 104 ) Nu = 0,021 𝜀𝑘 Re0,8 Pr0,43 (đơn giản cho 𝑃𝑟 𝑃𝑟𝑇 = 1) Nếu dòng chảy độ: ( 2300 104 ) Nu = 0,021 𝜀𝑘 Re0,8 Pr0,43 (đơn giản cho 𝑃𝑟 𝑃𝑟𝑇 = 1) tra bảng Chuẩn số Prandtl, 𝑃𝑟 = 2,675 𝑊 𝜆𝑑ị𝑛𝑔 𝑛ó𝑛𝑔 = 66,35 10−2 ( ) 𝑚.𝑘 Hệ số hiểu chình 𝜀𝑘 phụ thuộc vào giá trị Re 𝐿 𝑑𝑖 = 0.65 0,008 = 81.25 > 50 ⟹ 𝜀𝑘 = Tính chuẩn số Nusselt: Nu = 0,021.1 24665,17 0,8 2,6750,43 = 121.8 Nu = 𝛼1 𝑑𝑖 λnước ⟹ 𝛼1 = Nu.λnước 𝑑𝑖 = 121.8.66,35.10−2 0,015 = 4235 (W/m2.℃) Tính hệ số cấp nhiệt dịng lạnh tương tự thay số dịng nóng dòng lạnh 𝛼2 = Nu λnước 𝑑𝑡𝑑 Dựa vào chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒 = 𝜔 𝑑𝑡𝑑 𝜐 Trong 𝜔 vận tốc dòng lạnh: 𝐺𝐿 4./60 𝑚 𝜔= 𝜋 =𝜋 = 5.103 ( ) 𝑠 𝑑2 0,1292 𝑡𝑑 𝜐 độ nhớt dịng nóng tra bảng theo nhiệt độ 𝑇𝐿 = =, 𝜐 = 0,91 10−6 (m2/s) Dựa vào chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒 = 𝜔 𝑑𝑡𝑑 5.103 0,129 = = 723392.3 𝜐 0,91 10−6 dịng chảy xốy: ( Re > 10000 ) Nu = 0,021 𝜀𝑘 Re0,8 Pr0,43tra bảng 19 Chuẩn số Prandtl, 𝑃𝑟 = 2,675 𝜆𝑑ị𝑛𝑔 𝑛ó𝑛𝑔 = 60,8 10−2 ( 𝑊 𝑚.𝑘 ) Hệ số hiểu chình 𝜀𝑘 phụ thuộc vào giá trị Re 𝐿 𝑑𝑖 = 0,216 = 27 𝑡𝑟𝑎 𝑏ả𝑛𝑔 ⟹ 𝜀𝑘 = 1,06 Chuẩn số Grashoff 𝑔 𝛽 Δ𝑡 𝑙3 9,81 273 + 28.39 (39 − 29) 0,129 𝐺𝑟 = = = 35875110319 𝜐2 (0,91 10−6 )2 Với g= 9,81 m/s2 , l đường kính tương đương l=dtd , 𝛽 hệ số giãn nở thể tính tính 𝛽 = 𝑇 Tính chuẩn số Nusselt: Nu = 0,158.1,06 436,86 𝛼2 = Nu.λnước 𝑑𝑡𝑑 = 0,8 6,3,43 358751103190.1 = 407.3 332,4.60,8.10−2 0,216 = 66.29 (W/m2.℃) Xác định hệ truyền nhiệt lý thuyết 𝐾𝐿𝑇 = 1 = = 61.11 (W/m2 ℃) 0,001 1 𝛿 + + + + 2753 17,5 66,29 𝛼1 𝜆 𝛼2 𝛿= 𝑑0 − 𝑑𝑖 = 0,001 (𝑚) , 𝜆𝑡ℎé𝑝 = 17,5 (w/m.k) Tài liệu tham khảo  Tài liệu hướng dẫn thực hành trình thiết bị cơng nghệ hóa học, trường đại học cơng nghiệp hcm, 2017  Giáo trình Truyền nhiệt – NXB ĐH Cơng Nghiệp Tp.HCM Phạm Văn Bơn, Hồng Minh Nam, Vũ Bá Minh  Bảng tra cứu học truyền nhiệt – truyền khối, NXB đại học quốc gia  ... tiếp cận thiết bị truyền nhiệt vỏ ống cụ thể thiết bị truyền nhiệt ống xoắn Trong thiết bị này, trình trao đổi nhiệt dòng lưu chất qua bề mặt ngăn cách (truyền nhiệt gián tiếp) Trong nhiệt dịng nóng... nguồn thu lượng nhiệt (thiết bị làm lạnh hay ngưng tụ) hay thiết bị tỏa nhiệt (thiết bị gia nhiệt, đun sôi) Quá trình truyền nhiệt phân thành trình truyền nhiệt ổn định q trình truyền nhiệt khơng... thiết bị - T5, T6, T7, T8: nhiệt độ dịng lạnh nóng thiết bị - T9: nhiệt độ nồi đun - TB2: thiết bị vỏ làm thủy tinh - TB1: thiết bị vỏ làm thép 4.2 Trang thiết bị, hóa chất Bài thực hành trang bị