KỸ THUẬT THỰC PHẨM 2 báo cáo THỰC HÀNH THIẾT bị TRUYỀN NHIỆT vỏ ỐNG

Hệ số truyền nhiệt lý thuyết KLT được xác định thông qua chế độ dòng chảy và các chuẩn sốđể tìm hệ số cấp nhiệt của dòng nóng và dòng lạnh.. Đồng thời tính nhiệt lượng dòng nóng tỏa ra,

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 HÀNHTHIẾT 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 xuôi chiều và ngược chiều lên quá trình truyền nhiệt vỏ ống với dạng ống xoắn Quá trình thực nghiệm và xử lý kết quả nhằm xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị và so sánh với kết quả được tính toán theo lý thuyết KLT Hệ số truyền nhiệt lý thuyết KLT được xác định thông qua chế độ dòng chảy

và các chuẩn sốđể tìm hệ số cấp nhiệt của dòng nóng và dòng lạnh Đồng thời tính nhiệt lượng dòng nóng tỏa ra, dòng lạnh thu vào, các hiệu suất của quá trình truyền 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 môi trường

sự biến đổi vật chất luôn luôn kèm theo sự tỏa nhiệt hay thu nhiệt do đó cần phải cónguồi 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 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 vàthời gian

Quá trình truyền nhiệt không ổn định thường xảy ra trong các thiết bị làm việc giánđoạn hoặc trong giai đoạn đầu và cuối của quá trình liên tục Còn quá trình truyền nhiệt

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 khiển cácquá trình không ổn định để đưa về trạng thái ổn định, ngoài ra lý thuyết về truyền nhiệtkhông ổn định khá phức tạp Do đó, trong chương trình này chúng ta chỉ xét đến quátrình truyền nhiệt ổn định

Quá trình truyền nhiệt là quá trình một chiều, nghĩa là nhiệt lượng chỉ được truyền

từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp và truyền từ vật này sang vật khác hay

từ không gian này sang không gian khác thường theo một phương thức cụ thể nào đó

hoặc là tổ hợp các nhiều phương thức (truyền nhiệt phức tạp) Các phương thức truyền nhiệt 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, quá trình 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 điều chỉnh lưu lượng và hướng dòng chảy, biết những sự cố có thể xảy ra và cách sử lý tình huống

Khảo sát quá trình truyền nhiệt khi đun nóng hoặc làm nguội gián tiếp giữa 2 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 lên 2 trường hợp xuôi chiều và ngược chiều

4 Cơ sở lý thuyết:

Qúa trình trao đổi nhiệt giữa 2 dòng lưu chất qua một bề mặt ngăn cách rất thường gặptrong 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

điều kiện hoạt động,… Trong đó, chiều chuyển động của các dòng có ý nghĩa rất quan trọng

tỏa ra:

Q N =G N C N ΔTT N (6.1)

THIÊN THANH TRÚC

- Nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào:

Q L =G L C L ΔTT L (6.2)

vào được có thể do trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh):

Ta có các cách bố trí sau:

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

THIÊN THANH TRÚC

- 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 Δtlog

khác 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

(thùng lạnh) được nối với 2 bơm tương ứng bơm nóng B, vả bơm lạnh B để dẫn 2 dòng nóng

và lạnh vào lần lượt 2 thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm qua 2 thiết bị đo lưu lượng loại rotamet

VN và VL

cặp nhiệt điện loại K và truyền tín hiệu về tủ điều khiển và hiển thị trên các đồng hồ hiển thị RTC

điều khiển ON/OF trên tủ điều khiển để khống chế nhiệt độ trong thùng chứa theo yêu cầu của thí nghiệm

phải mở hoàn toàn

- Hệ thồng tủ điện bao gồm:

- Đối với mô hình này cấu tạo gồm những bộ phận sau: + Thùng chứa nước nóng+ Điện trở gia nhiệt (ĐT)

+ Thiết bị truyền nhiệt chính ống lồng ống

+ Dòng nước lạnh lấy nguồn nước cấp của nhà trường

Đầu dò nhiệt độ dòng lạnh vào (ra) tương ứng với đồng hồ hiển thị trên tủ điện(T2, T4)

5.2 Trang thiết bị hoá 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:

THIÊN THANH TRÚC

- 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

nghiệm

chiều chỉ cần điều chỉnh dòng lạnh, còn dòng nóng thì luôn bố trí cố định một chiều từ trên xuống

Các ký hiệu

o η: hiệu suất truyền nhiệt

o VL: lưu lượng thể tích dòng lạnh (m /s)

o F: diện tích trao đổi nhiệt (m )

Đối với ký hiệu kích thước ống chùm:

Bảng 6.1: Bảng kích thước ống chum

THIÊN THANH TRÚC

d 1t d 1n D 2t D 2n D 1 N 1 n 2 D 2 L 1 L 2

Đối với ký hiệu kích thước ống xoắn:

6.2 Bảng kích thước ống xoắn

Đối với kí hiệu kích thước ống lồng ống:

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 Trước khi cho nước vào thùng phải kháo van xá ở đáy

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 sẽ hỏng

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

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 vàm điều chỉnhxong dòng nóng qua nhánh phụ sau dó tắt bơm nóng Tiếp theo điều chỉnh lưu lượngdòng 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 thất

Xác 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

6.3Thí nghiệm 2: Khảo sát trường hợp ngược chiều thiết bị

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

Xác 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

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

7 Kết quả và bàn luận

Thí nghiệm 1: Khảo sát trường hợp xuôi chiều thiết bị

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

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

− Lưu lượng khối lượng của dòng nóng:

54 9 47 0

406

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:

Trong đó là vận tốc dòng lạnh:

là độ nhớt của dòng nóng tra bảng, (m2/s)

Dựa vào chuẩn số Reynolds:

Dòng chảy dòng: ( Re < 2300 )

Nu = 0,158 Re0,33 Pr0.43.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

Thí nghiệm 2: Khảo sát trường hợp xuôi chiều của thiết bị

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

Đồ thị biểu diễn hệ số truyền nhiệt K TN và hề số truyền nhiệt lý thuyết K LT

Thí nghiệm 2: Khảo sát trường hợp xuôi chiều của thiết bị

Ta sẽ đi đánh giá sự ảnh hưởng các yếu tố qua hệ số truyền nhiệt 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 khi hiệu số chênh lệch nhiệt độ giữa hai lưu thể là một độ 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 )

Bài thực hành có sai số do nhiều yếu tố như đầu dò nhiệt độ của thiết bị không chính xác dẫn đến

cách xác định nhiệt lượng tỏa ra của dòng nóng hay thu vào của dòng lạnh gặp nhiều sai số khi

do quá trình truyền nhiệt từ dòng nóng sang dòng lạnh, nhiệt lượng đã bị mất mát hao tổn ra bên

ngoài Lượng nhiệt tổn thất này không thể đo chính xác Vì vậy việc tính toán không ổn định.

Từ những sai số trên ta bỏ qua các thông số phụ thuộc vào nhiệt độ như mà đi đánh giá những

yếu tố quan trọng trong bài này