GIỚI THIỆU
Cơ sở lý thuyết [1]
Quá trình trao đổi nhiệt giữa hai dòng lưu chất qua bề mặt ngăn cách rất phổ biến trong các ngành công nghiệp như hóa chất, thực phẩm Nhiệt lượng từ dòng nóng được dòng lạnh hấp thụ nhằm phục vụ cho các giai đoạn trong quy trình công nghệ như đun nóng, làm nguội, ngưng tụ hay bốc hơi Việc bố trí và phân phối các dòng lưu chất cần được tối ưu hóa để giảm tổn thất và nâng cao hiệu suất của quá trình.
Hiệu suất của quá trình trao đổi nhiệt phụ thuộc vào cách bố trí thiết bị và điều khiển hoạt động Trong đó, hướng di chuyển của các dòng chất lỏng đóng vai trò quan trọng.
- Cân bằng năng lượng khi cho 2 dòng trao đổi nhiệt gián tiếp: Nhiệt lượng do dòng nóng tỏa ra
- Nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào
Nhiệt lượng tổn thất là phần nhiệt lượng mà dòng nóng phát tán ra nhưng dòng lạnh không thể thu nhận, thường xảy ra do sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh.
- Măt khác nhiệt lượng trao đổi cũng có thể tính theo công thức:
Nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị phụ thuộc vào kích thước của thiết bị F và cách bố trí các dòng ∆𝑇 𝑙𝑜𝑔 Do thiết bị là phần cứng khó thay đổi, nên nhiệt lượng trao đổi chủ yếu bị ảnh hưởng bởi cách bố trí các dòng chảy.
Ta có các cách bố trí sau
- Chảy xuôi chiều: Lưu thể 1 và 2 chảy song song cùng chiều với nhau
- Chảy ngược chiều: Lưu thể 1 và 2 chảy song song nhưng ngược chiều nhau
- Chảy chéo dòng: Lưu thể 1 và lưu thể 2 chảy theo phương vuông gócChảy hỗn hợp:
- lưu thể 1 chảy theo hướng nào đó còn lưu thể 2 thì có đoạn chảy cùng chiều có đoạn chảy 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
Trường hợp chảy ngược chiều t 1ủ t 1c t 2ủ t 2c t 1ủ t 1c t 2ủ t 2c
Hình 6-1: Đặc trưng thay đổi nhiệt độ khi chảy ngược chiều
Trong trường hợp hai lưu thể chảy ngược chiều dọc theo bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độ của lưu thể nóng sẽ giảm, trong khi nhiệt độ của lưu thể nguội sẽ tăng Điều này có thể được minh họa qua giản đồ tương ứng.
Trường hợp hai lưu thể chảy xuôi chiều
Trong trường hợp hai lưu thể chảy xuôi dọc bề mặt trao đổi nhiệt, nhiệt độ của lưu thể nóng sẽ giảm, trong khi nhiệt độ của lưu thể lạnh sẽ tăng Biểu đồ dưới đây minh họa sự thay đổi nhiệt độ giữa hai lưu thể này.
Hình 6-2: Đặc trưng thay đổi nhiệt độ khi chảy xuôi chiều
Nếu trong quá trình truyền nhiệt khi tỉ số ∆𝑡 𝑚𝑎𝑥
∆𝑡 𝑚𝑖𝑛 < 2 thì hiệu số nhiệt độ trung bình
∆𝑡 𝑙𝑜𝑔 có thể được tính gần đúng công thức sau:
Hiệu suất nhiệt độ trong các quá trình truyền nhiệt của dòng nóng và dòng lạnh lần lượt:
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:
2 ) : là đường kính trung bình của ống truyền nhiệt, m
Xác định hệ số truyền nhiệt lý thuyết:
Khi đó: 𝛿 𝑇 ; 𝑇 ta tra bảng Ta có, hệ số truyền nhiết của innox: 𝜆 = 17.5 (𝑊 𝑚⁄ 2 𝐾)
Hệ số cấp nhiệt 𝛼 được tính thông qua chuẩn số 𝑁𝑢 = 𝑓(𝑅𝑒, 𝐺𝑟, Pr)
Từ đó ta suy ra được hệ số cấp nhiệt 𝛼 để thế vào công thức (6.15) để tính 𝐾 𝐿𝑇
MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
Sinh viên được trang bị kỹ năng vận hành thiết bị truyền nhiệt, nắm vững nguyên lý đóng mở van để điều chỉnh lưu lượng và hướng dòng chảy Họ cũng hiểu rõ các sự cố có thể xảy ra trong quá trình vận hành và biết cách xử lý tình huống một cách hiệu quả.
- Khảo sát quá trình truyền nhiệt đun nóng hoặc làm nguội gián tiếp giữa 2 dòng qua một bề mặt ngăn cách là ống xoắn
- Tính toán hiệu xuất 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 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.
THỰC NGHIỆM [2]
Sơ đồ hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt loại ống xoắn
Hình 6-3: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt loại ống xoắn
Hệ thống khảo sát gồm 2 loại thiết bị chính
Thiết bị truyền nhiệt loại ống xoắn 𝑻𝑩𝟐 có vỏ ngoài bằng thủy tinh 𝑻𝑩𝟏
Hình 6-4: Sơ đồ tủ điện Thiết bị truyền nhiệt loại ống xoắn 𝑻𝑩𝟏 có vỏ ngoài bằng thủy tinh 𝑻𝑩𝟐
Hệ thống thí nghiệm bao gồm hai thùng chứa nước, một thùng nóng 𝑻𝑵 và một thùng lạnh 𝑻𝑳, được kết nối với hai bơm tương ứng là bơm nóng 𝑩 𝑵 và bơm lạnh 𝑩 𝑳 Hệ thống này dẫn dòng nước nóng và lạnh qua hai thiết bị truyền nhiệt dạng ống xoắn, đồng thời sử dụng hai thiết bị đo lưu lượng loại rotamet để theo dõi lưu lượng của từng dòng.
Sự phân bố các dòng lưu chất vào thiết bị được điều chỉnh qua hệ thống van 𝑽 𝑳𝒊 và
𝑽 𝑵𝒋 (𝑖 = 1 ÷ 9, 𝑗 = 1 ÷ 7) Lưu lượng của dòng nóng và dòng lạnh được điều chỉnh nhờ
Nhiệt độ đầu vào và đầu ra của các dòng được xác định thông qua các đầu cảm biến nhiệt độ của cặp nhiệt điện loại K, với tín hiệu được truyền về tủ điều khiển và hiển thị trên đồng hồ RTC.
Nước trong thùng chứa sẽ được gia nhiệt bằng điện trở 3KW, kết nối với bộ điều khiển ON/OFF trên tủ điều khiển, nhằm kiểm soát nhiệt độ trong thùng theo yêu cầu của thí nghiệm.
Chú ý: Đối với các van 𝑽 𝑳𝒊 và 𝑽 𝑳𝒋 khi đóng thì phải đóng hoàn toàn, khi mở thì phải mở hoàn toàn.Hình 6-5: 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 nhất tắt (màu đỏ) của bơm nóng, bơm lạnh
- Nút dừng khẩn cấp (nhấn vào khi có sự cố, xoay theo kim đồng hồ khi cần mở)
- Đồng hồ hiển thị nhiệt độ dòng nóng T1, T3, T5, T7
- Đồng hồ hiển thị nhiệt độ dòng lạnh T2, T4, T6, T8
- Bộ cài đặt nhiệt độ thùng nóng T9.
Trang thiết bị, hóa chất
Bài thực hành được trang bị hệ thống tủ điều khiển cho bơm, điện trở và cài đặt nhiệt độ, cùng với các đầu báo nhiệt độ Hệ thống này hoạt động hiệu quả để kiểm soát và điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình thực hành.
- 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 đáy
- Đóng nắp thùng chứa nước nóng và nước lạnh 9 (nếu có)
- Cài đặt nhiệt độ trên bộ điều khiển ON/OFF cho thùng chứa nước nóng TN
- Bật công tắc điện trở
- Khi nhiệt độ trong thùng chứa nước nóng TN đạt giá trị cài đặt thì bắt đầu tiến hành thí nghiệm
Trên thiết bị ống xoắn, dòng chảy có thể được bố trí theo chiều xuôi hoặc ngược, chỉ cần điều chỉnh dòng lạnh, trong khi dòng nóng luôn được bố trí một chiều từ trên xuống Các kí hiệu cần được chú ý để đảm bảo sự hoạt động hiệu quả của hệ thống.
∆𝑇 𝑁 : Hiệu số nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra của dòng nóng
∆𝑇 𝐿 : Hiệu số nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra của dòng lạnh
𝜂 𝑁 : Hiệu suất nhiệt độ của dòng nóng
𝜂 𝐿 : Hiệu suất nhiệt độ của dòng lạnh
𝜂 ℎ𝑖 : Hiệu suất nhiệt độ hữu ích
𝑉 𝑁 : Lưu lượng thể tích của dòng nóng (𝑚 3 ⁄ ) 𝑠
𝑉 𝐿 : Lưu lượng thể tích của dòng lạnh (𝑚 3 ⁄ ) 𝑠
𝐺 𝑁 : Lưu lượng thể tích của dòng nóng (𝐾𝑔 𝑠⁄ )
𝐺 𝐿 : Lưu lượng thể tích của dòng lạnh (𝐾𝑔 𝑠⁄ )
𝐶 𝑁 : Nhiệt dung riêng của dòng nóng (𝐽 𝐾𝑔 ℃⁄ ) (tra bảng)
𝐶 𝐿 : Nhiệt dung riêng của dòng lạnh (𝐽 𝐾𝑔 ℃⁄ ) (tra bảng)
𝜌 𝑁 : Khối lượng riêng của dòng nóng (𝐾𝑔 𝑚⁄ 3 ) (tra bảng)
𝜌 𝐿 : Khối lượng riêng của dòng lạnh (𝐾𝑔 𝑚⁄ 3 ) (tra bảng)
𝑄 𝑁 : Nhiệt lượng do dòng nóng tỏa ra
𝑄 𝐿 : Nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào (𝑊)
∆𝑡 1 : Hiệu số nhiệt độ giữa dòng nóng và dòng lạnh tại đầu trên của thiết bị
∆𝑡 2 : Hiệu số nhiệt độ giữa dòng nóng và dòng lạnh tại dưới trên của thiết bị
∆𝑡 𝑙𝑜𝑔 : Hiệu số nhiệt độ hữu ích logarit
𝐹: Diện tích trao đổi nhiệt (𝑚 2 ) Đối với kí hiệu kích thước ống xoắn:
𝑑 𝑖 : Đường kính trong của ống xoắn (𝑚)
𝑑 𝑜 : Đường kính ngoài của ống xoắn (𝑚)
𝐷 1 : Đường kính trong của thiết bị inox (𝑚)
𝐷 2 : Đường kính trong của ống thủy tinh (𝑚)
𝐿 1 : Chiều dài của ống xoắn trong thiết bị inox TB1 (𝑚)
𝐿 2 : Chiều dài của ống xoắn trong thiết bị thủy tinh TB2 (𝑚)
Bảng 6-1: Bảng kích thước ông xoắn
15mm 17mm 250mm 100mm 12mm 6mm
Tiến hành thí nghiệm
6.4.3.1 Khảo sát trường hợp xuôi chiều thiết bị
6.4.3.1.1 Các bước tiến hành thí nghiệm
- Bước 1: Mở van cho nước vào khoảng 2 3⁄ thể tích thùng nóng và thùng lạnh
- 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 80℃
Để điều chỉnh lưu lượng dòng nóng, cần tránh điều chỉnh ở nhiệt độ cao để không làm hư hỏng lưu lượng kế Sau khi điều chỉnh, hãy mở van 𝑉 𝑁4 và khóa các van qua lưu lượng kế 𝑉 𝑁2 và 𝑉 𝑁3.
- Bước 4: Điều chỉnh đóng mở van để phù hợp với trường hợp chảy xuôi 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
6.4.3.2 Khảo sát trường hợp ngược chiều thiết bị
6.4.3.2.1 Các bước tiến hành thí nghiệm
- Bước 1: Mở van cho nước vào khoảng 2 3⁄ thể tích thùng nóng và thùng lạnh
- 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 80℃
Để điều chỉnh lưu lượng dòng nóng, cần thực hiện bước 3 bằng cách tránh điều chỉnh ở nhiệt độ cao để không làm hư hỏng lưu lượng kế Sau đó, mở van 𝑉 𝑁4 và khóa các van qua lưu lượng kế 𝑉 𝑁2 và 𝑉 𝑁3.
- 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
- Tắt bơm nóng và bơm lạnh
- Tắt công tắc điện trở
- Xả nước trong các thùng
- Khóa van nước nguồn cấp
- Vệ sinh máy và khu vực máy
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN [3]
Kết quả
6.5.1.1 Khảo sát trường hợp xuôi chiều thiết bị
Bảng 6-2: kết quả khảo sát thực nghiệm trường hợp chảy xuôi chiều thiết bị
6.5.1.1.1 Tính toán kết quả khảo sát
- Tính toán kết quả khảo sát được dựa theo các công thức được đưa ra ở mục 6.2.1
Bảng 6-3: Bảng tính các kết quả khảo sát xuôi chiều thiết bị
Bảng 6-4: Bảng tính các kết quả khảo sát xuôi chiều thiết bị
Bảng 6-5: Bảng tính các kết quả khảo sát xuôi chiều thiết bị
Bảng 6-6: Bảng tính các kết quả khảo sát xuôi chiều thiết bị
Bảng 6-7: Bảng tính các kết quả khảo sát xuôi chiều thiết bị
6.5.1.1.2 Tóm tắt kết quả xuôi chiều
Bảng 6-8: Tóm tắt kết quả khảo sát trường hợp chảy xuôi chiều
Biểu đồ 6-1: Biểu đồ so sánh sự tương quan giữa 𝐾 𝐿𝑇 và 𝐾 𝑇𝑁 trong trường hợp xuôi chiều thiết bị với 𝑉 𝑁 = 𝑉 𝐿
6.5.1.2 Khảo sát trường hợp ngược chiều thiết bị
Bảng 6-9: kết quả khảo sát thực nghiệm trường hợp chảy ngược chiều thiết bị
6.5.1.2.1 Tính toán kết quả khảo sát
- Tính toán kết quả khảo sát được dựa theo các công thức được đưa ra ở mục 6.2.1
Bảng 6-10: : Bảng tính các kết quả khảo sát ngược chiều thiết bị
Bảng 6-11: : Bảng tính các kết quả khảo sát ngược chiều thiết bị
Bảng 6-12: : Bảng tính các kết quả khảo sát ngược chiều thiết bị
Bảng 6-13: : Bảng tính các kết quả khảo sát ngược chiều thiết bị
Bảng 6-14: Bảng tính các kết quả khảo sát ngược chiều thiết bị
6.5.1.2.2 Tóm tắt kết quả xuôi chiều
Bảng 6-15: Tóm tắt kết quả khảo sát trường hợp chảy ngược chiều thiết bị
Biểu đồ 6-2: Biểu đồ so sánh sự tương quan giữa 𝐾 𝐿𝑇 và 𝐾 𝑇𝑁 trong trường hợp ngược chiều thiết bị với 𝑉 𝑁 = 𝑉 𝐿
Sau khi thực hiện thí nghiệm và phân tích kết quả, chúng tôi nhận thấy hệ số truyền nhiệt lý thuyết cao hơn so với thực tế Sự chênh lệch này có thể được giải thích bởi một số nguyên nhân nhất định.
- Do thiết bị hư hỏng dẫn đến sai số
- Do kết cấu thiết bị sau thời gian sử dụng bị gỉ sét làm giảm khả năng trao đổi nhiệt
- Do sai sót về kỹ thuật trong quá trình thực nghiệm
- Sự thất thoát nhiệt ra môi trường ngoài
Trong quá trình truyền nhiệt, thiết bị cần được điền đầy nước ở cả chiều xuôi và chiều ngược để đảm bảo sự đồng đều trong quá trình truyền nhiệt giữa nước và nước qua tường chắn inox.
Hệ số truyền nhiệt cho phép đánh giá hiệu suất của quá trình truyền nhiệt và so sánh hiệu quả giữa các trường hợp xuôi chiều và ngược chiều.
Sự thay đổi lưu lượng dòng nóng và dòng lạnh chưa đủ rõ rệt để so sánh hệ số truyền nhiệt giữa các trường hợp dòng chảy khác nhau; do đó, cần tiến hành khảo sát trước.
29 khi thực nghiệm để ta có thể đưa ra dữ liệu cho quá trình và khảo sát được tất cả trường hợp của nó.
TÍNH MẪU
Giả sử ta tính mẫu ở trường hợp xuôi chiều:
- Nhiệt lượng do dòng nóng tỏa ra:
- Nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào:
- Hiệu suất nhiệt độ trong các quá trình truyền nhiệt của dòng nóng và dòng lạnh lần lượt:
- 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:
- Tùy theo cách bố trí mà ta có phương pháp xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích logarit
Tính mẫu ở trường hợp xuôi chiều ở thí nghiệm 1
- Xác định reynold dòng nóng:
- Xác định reynold dòng lạnh:
- Xác định Nuselt dòng nóng:
- Xác định Nuselt dòng lạnh:
- Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nóng:
- Xác định hệ số cấp nhiệt dòng lạnh:
- Xác định hệ số truyền nhiệt theo lý thuyết:
[1] P X 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] Tài liệu hướng dẫn thực hành các quá trình & thiết bị trong công nghệ hóa học, Khoa công nghệ hóa học Trường đại học công nghiệp TP.HCM, 2017
Bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt và truyền khối là tài liệu quan trọng trong lĩnh vực công nghệ hóa học và thực phẩm, được biên soạn bởi tập thể tác giả và xuất bản bởi NXB ĐH Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh Tài liệu này cung cấp kiến thức chuyên sâu về các quá trình và thiết bị liên quan, hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng trong ngành công nghiệp.
Các bảng sử dụng trong báo cáo
Bảng 6-1: Bảng kích thước ông xoắn 11
Bảng 6-2: kết quả khảo sát thực nghiệm trường hợp chảy xuôi chiều thiết bị 12
Bảng 6-3: Bảng tính các kết quả khảo sát xuôi chiều thiết bị 13
Bảng 6-4: Bảng tính các kết quả khảo sát xuôi chiều thiết bị 14
Bảng 6-5: Bảng tính các kết quả khảo sát xuôi chiều thiết bị 15
Bảng 6-6: Bảng tính các kết quả khảo sát xuôi chiều thiết bị 16
Bảng 6-7: Bảng tính các kết quả khảo sát xuôi chiều thiết bị 17
Bảng 6-8: Tóm tắt kết quả khảo sát trường hợp chảy xuôi chiều 18
Bảng 6-9: kết quả khảo sát thực nghiệm trường hợp chảy ngược chiều thiết bị 20
Bảng 6-10: : Bảng tính các kết quả khảo sát ngược chiều thiết bị 21
Bảng 6-11: : Bảng tính các kết quả khảo sát ngược chiều thiết bị 22
Bảng 6-12: : Bảng tính các kết quả khảo sát ngược chiều thiết bị 23
Bảng 6-13: : Bảng tính các kết quả khảo sát ngược chiều thiết bị 24
Bảng 6-14: Bảng tính các kết quả khảo sát ngược chiều thiết bị 25
Bảng 6-15: Tóm tắt kết quả khảo sát trường hợp chảy ngược chiều thiết bị 26
Các biểu đồ sử dụng trong báo cáo Biểu đồ 6-1: Biểu đồ so sánh sự tương quan giữa 𝐾 𝐿𝑇 và 𝐾 𝑇𝑁 trong trường hợp xuôi chiều thiết bị với 𝐺 𝑁 = 𝐺 𝐿 20
Biểu đồ 6-2: Biểu đồ so sánh sự tương quan giữa 𝐾 𝐿𝑇 và 𝐾 𝑇𝑁 trong trường hợp ngược chiều thiết bị với 𝐺 𝑁 = 𝐺 𝐿 28
Các hình được sử dụng trong báo cáo Hình 6-1: Đặc trưng thay đổi nhiệt độ khi chảy ngược chiều 4
Hình 6-2: Đặc trưng thay đổi nhiệt độ khi chảy xuôi chiều 5
Hình 6-3: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt loại ống xoắn 7
