truyền nhiệt vỏ ống truyền nhiệt vỏ ống truyền nhiệt vỏ ống

thực hành thiết bị bài 6 truyền nhiệt vỏ ống thực hành thiết bị bài 6 truyền nhiệt vỏ ống thực hành thiết bị bài 6 truyền nhiệt vỏ ống thực hành thiết bị bài 6 truyền nhiệt vỏ ống thực hành thiết bị bài 6 truyền nhiệt vỏ ống thực hành thiết bị bài 6 truyền nhiệt vỏ ống

MỤC LỤC

BÀI 6 : TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG 1

6.1 Tóm tắt 1

6.2 Giới thiệu 1

6.2.1 Cơ sở lý thuyết 1

6.3 Mục đích thí nghiệm 3

6.4 Thưc nghiệm 3

6.4.1 Trang thiết bị, hóa chất 3

6.4.2 Tiến hành thực nghiệm 4

6.4.3 Kết quả thí nghiệm 5

6.5 Kết luận 15

6.6 Tài liệu tham khảo 15

BÀI 6 : TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG 6.1 Tóm tắt

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 Dễ dàng cho ta thấy được sự ảnh hưởng chiều chuyển động của lưu chất lên quá trình truyền nhiệt vỏ ống dạng ống chùm trong 2 trường hợp xuôi chiều và ngược chiều Từ đó ta thu được các kết quả, xử lý số liệu thu được nhằm xác định các hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị và so sánh với hệ số truyền nhiệt lý thuyết KLT được tính toán thông qua các chuẩn số, chế độ dòng chảy và có thể rút ra kết luận xem quá trình truyền nhiệt nào là tốt hơn

6.2 Giới thiệu

Quá trình truyền nhiệt được phân biệt thành quá trình truyền nhiệt ổn định và quá trình truyền nhiệt không ổn định Quá trình truyền nhiệt ổn định là quá trình mà ở đó nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian Quá trình truyền nhiệt không ổn định là quá trình mà ở đó nhiệt độ thay đổi theo cả không gian và thời gian

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, nhiệt đới lưu, bức xạ

6.2.1 Cơ sở lý thuyết

Cân bằng năng lượng khi 2 dòng lỏng trao đổi nhiệt gián tiếp

Nhiệt lượng do dòng nóng tỏa ra:

(6-1) Nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào:

(6-2) Nhiệt lượng tổn thất:

(6-3) Cân bằng năng lượng:

(6-4) Mặt khác nhiệt lượng trao đổi cũng có thể tính theo công thức:

(6-5) Phương pháp xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích logarit khác nhau:

(6-6)

Trường hợp chảy ngược chiều:

(6-7) (6-8)

Trường hợp hai lưu thể xảy ra cùng chiều:

Nếu trong quá trình truyền nhiệt khi tỷ số thì hiệu số nhiệt độ trung bình có thể được tính gần đúng như sau:

(6-13) Hiệu suất nhiệt độ trong các quá trình truyền nhiệt của dong nóng và dòng lạnh lần lượt:

(6-14) (6-15) Hiệu suất nhiệt độ hữu ích của quá trình truyền nhiệt:

(6-16) Hiệu suất của quá trình truyền nhiệt:

(6-17) Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm:

(6-18) Trong đó: F =

6.3 Mục đích thí nghiệm

- 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

- 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 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 trong 2 trường hợp xuôi chiều và ngược chiều

- Xác định hệ số truyền nhiệt thưc nghiệm của thiết bị từ đó so sánh với kết quả thí tính toán theo lý thuyết

6.4 Thưc nghiệm

6.4.1 Trang thiết bị, hóa chất

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;

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

6.4.2 Tiến hành thực nghiệm

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

Trước khi mở bơm phải đảm bảo hệ thống van phải phù hợp,tránh trường hợp mở bơm mà không có dòng chảy

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

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

Phải xác định được vị trí đầu dò nhiệt độ, quan trọng đó là nhiệt dộ nóng vào, nóng ra, lạnh vào, lạnh ra

Khi mở bơm khởi động phải mở van hoàn lưu

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

6.4.2.2 Thí nghiêm 2: Khảo sát trường hợp ngược chiều thiết 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)

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

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

Phải xác định được vị trí đầu dò nhiệt độ, quan trọng đó là nhiệt dộ nóng vào, nóng ra, lạnh vào, lạnh ra

Khi mở bơm khởi động phải mở van hoàn lưu

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

6.4.3 Kết quả thí nghiệm

6.4.3.1 Thí nghiệm 1 : Trường hợp xuôi chiều

Bảng 6-1 : Kết quả thực nghiệm ( xuôi chiều)

STT

Trong đó : VL(l/p) : vận tốc dòng lạnh

VN (l/p) : vận tốc dòng nóng

T1 () : Nhiệt độ dòng nóng vào

T2 () : Nhiệt đọ dòng lạnh vào

T3 () : Nhiệt độ dòng nóng ra

T4 () : Nhiệt đôk dòng lạnh ra

6.4.3.2 Thí nghiệm 2 : Trường hợp ngược chiều

Bảng 6-2: Kết quả thực nghiệm ngược chiều

Trong đó : VL(l/p) : vận tốc dòng lạnh

VN (l/p) : vận tốc dòng nóng

T1 () : Nhiệt độ dòng nóng vào

T2 () : Nhiệt đọ dòng lạnh vào

T3 () : Nhiệt độ dòng nóng ra

T4 () : Nhiệt đôk dòng lạnh ra

6.4.3.3 Tính toán số liệu

Hiệu số nhiệt độ

Hiệu suất nhiệt độ

N = 100%

L = 100%

Hiệu suất nhiệt độ hữu ích

hi =

Hiệu suất quá trình truyền nhiệt

Lưu lượng 2 dòng

GN = VN nước

GL = VL nước

nước : Khối lượng riêng của nước tại nhiệt độ đang xét

Nhiệt lượng 2 dòng :

QN = GN CN TN

QL = GL CL TL

CN , CL : Nhiệt dung riêng của nước

Hiệu suất quá trình truyền nhiệt :

η = 100%

Hệ số truyền nhiệt

- Hệ số truyền nhiệt lý thuyết

KLT =

, : Hệ số cấp nhiệt của dòng nóng và dòng lạnh (W/m.K)

: = = = 1 (mm) = 2.10-3 (m)

λ : Hệ số dẫn nhiệt (W/m.K) = 17,5 (W/m.K) do là thép không rỉ

-Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm

Trường hợp xuôi chiều :

Trường hợp ngược chiều :

Xét 2 t , cái nào lớn hơn sẽ là , nhỏ hơn là tmin

Tính diện tích truyền nhiệt :

F =

=>

Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm :

Tính hệ số cấp nhiệt dòng nóng

Vận tốc dòng nóng :

Tính chuẩn số Renolds :

: Độ nhớt của dòng nóng, tra bảng theo phương pháp nội suy : Đường kính ống dòng nóng

Tính chuẩn số Prandtl :

: Tra bảng theo phương pháp nội suy

Tính chuẩn số Gr :

Gr =

g : gia tốc trọng trường 9,81 (m/s2)

l : ở đây là đường kính (m)

: hệ số giãn nở thể tích theo nhiệt độ

hiệu số nhiệt độ giữa tường và dòng lưu chất

Dựa vào chuẩn số Renolds ta xác định được chế độ chảy của dòng, từ đó suy ra được công

thức tính chuẩn số Nu

Re > 10000 : Nu = 0,02 k Re 0,8 Pr 0,43

1000 < Re < 10000 : Nu = 0,158 k Re 0,33 Pr 0,43 Gr 0,1

k : hệ số hiệu chỉnh l/d

Tính α

α =

Tính hệ số cấp nhiệt dòng lạnh

Vận tốc dòng lạnh :

=

d = = 26.64 (mm) = 0,026 (m)

Tính chuẩn số Renolds :

Re =

: Độ nhớt của dòng lạnh, tra bảng theo phương pháp nội suy

: Đường kính ống dòng lạnh

Tính chuẩn số Prandtl :

Pr =

: Tra bảng theo phương pháp nội suy

Tính chuẩn số Gr :

Gr =

g : gia tốc trọng trường 9,81 (m/s2)

l : ở đây là đường kính (m)

: hệ số giãn nở thể tích theo nhiệt độ

hiệu số nhiệt độ giữa tường và dòng lưu chất

Dựa vào chuẩn số Renolds ta xác định được chế độ chảy của dòng, từ đó suy ra được công

thức tính chuẩn số Nu

Re > 10000 : Nu = 0,02 k Re 0,8 Pr 0,43

1000 < Re < 10000 : Nu = 0,158 k Re 0,33 Pr 0,43 Gr 0,1

k : hệ số hiệu chỉnh l/d

6.4.3.4 Kết quả tính toán

Bảng 6-3 : kết qủa tính toán thiết bị truyền nhiệt ống xoắn (xuôi chiều )

Bảng 6-4 : kết qủa tính toán thiết bị truyền nhiệt ống xoắn ( ngược chiều )

STT

N (%) 31 43 58 33 33 33 31 33 33

L (%) 19 29 33 33 25 17 8 17 8

hi (%) 25 36 46 33 29 25 19 25 21

GL(kg/s) 0.17 0.22 0.27 0.17 0.22 0.27 0.17 0.22 0.27

Q N (J) 3500 4200 4900 3640 3640 3640 4480 4480 4480

QL (J) 2100 3640 4480 2800 2730 2240 700 1820 1120

Η (%) 60 86.67 91.43 76.92 75 61.54 15.63 40.63 2500

Q N 3500 4200 4900 3640 3640 3640 4840 4840 4840

K TN 797 1135 1727 1051 1090 1132 1320 1393 1450

6.4.3.5 Biể

u đồ

N (%) 93 86 86 57 67 77 64 69 69

L (%) 42 39 33 33 37 35 33 38 38

hi (%) 67 62 60 45 52 56 49 54 54

G N (kg/s 0.17 0.17 0.17 0.22 0.22 0.22 0.27 0.27 0.27

Q N (J) 9100 8400 8400 7280 7280 9100 10080 10080 10080

Q L (J) 7000 8190 7840 4900 6370 7840 4900 7280 8960

Η (%) 76.92 97.50 93.33 67.31 87.50 86.15 48.61 72.22 88.89

Q N 9100 8400 8400 7280 7280 9100 10080 10080 10080

K TN 2438 2251 2474 1798 2111 2653 2590 2689 2689

9 10 11 12 13 14 15 16 17

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Mối quan hệ giữa chênh lệch nhiêt độ và lưu lượng dòng (xuôi chiều)

Lạnh 1 Lạnh 2 Lạnh 3 Nóng 1 Nóng 2 Nóng 3

Lưu lượng dòng (l/ph)

Hình 6-1 :Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa chênh lệch nhiệt độ và lưu lượng dòng trường hợp xuôi chiều

9 10 11 12 13 14 15 16 17 0

2

4

6

8

10

12

14

Mối quan hệ giữa chênh lệch nhiệt độ và lưu lượng (ngược chiều)

Lưu lượng dòng (l/ph)

Hình 6-2: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa chênh lệch nhiệt độ và lưu lượng dòng trường hợp ngược chiều

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

Biểu đồ thể hiện hệ số truyền nhiệt lí thuyết ở hai trường hợp ngược chiều và xuôi chiều

Hình 6-3: Biểu đồ thể hiện hệ số truyền nhiệt lí thuyết ở 2 trường hợp ngược chiều và xuôi chiều

1 2 3 4 5 6 7 8 9

0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

Biểu đồ thể hiện hệ số truyền nhiệt thực nghiệm xuôi chiều và ngược chiều

Hình 6-4: Biểu đồ thể hiện hệ số truyền nhiệt thực nghiệm ở hai trường hợp xuôi chiều và ngược chiều

6.5 Kết luận

Vì 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 1°.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.Vậy ta có thể rút ra kết luận rằng trong trường hợp ngược chiều thì quá trình truyền nhiệt diễn ra tốt hơn trường hợp ngược chiều

6.6 Tài liệu tham khảo

[1] Trường Đại học Công nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh Tài liệu hướng dẫn thực hành

Các quá trình và Thiết bị trong công nghệ Hóa Học Lưu hành nội bộ 2017

[2] Bộ môn quá trình và thiết bị, Bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt - truyền khối,

Hồ Chí Minh: NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2015