BÀI 6 THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG

báo cáo thực hành các quá trình thiết bị và cơ học trong công nghệ hoá BÀI 6 THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG của trường đại học Công nghiệp Tp.HCM do sinh viên biên soạn báo cáo và được giáo viên chỉnh sửa bài đúng theo yêu cầu

Trang 1

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

  

BÁO CÁO THỰC HÀNH CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ

HOÁ HỌC

THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG

GVHD: Trần Thảo Quỳnh Ngân

SVTH:

Lớp học phần:

Ngày thực hành:

01.04.2020

Trang 2

MỤC LỤC

6.1 GIỚI THIỆU 3

6.2 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 4

6.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

6.4 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 7

6.4.1 Sơ đồ hệ thống 7

6.4.1.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt loại ống trùm 7

6.4.2 Trang thiết bị, hoá chất 7

6.5 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 8

6.5.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát trường hợp xuôi chiều thiết bị 8

6.5.1.1 Chuẩn bị 8

6.5.1.2 Các lưu ý 9

6.5.1.3 Báo cáo 9

6.5.2 Thí nghiệm 2: Khảo sát trường hợp ngược chiều thiết bị 10

6.5.2.1 Chuẩn bị 10

6.5.2.2 Các lưu ý 10

6.5.2.3 Báo cáo 10

6.5.2.4 Kết thúc bài thực hành 10

6.5.2.5 Báo cáo 11

6.6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 11

6.6.1 TN1: Khảo sát trường hợp xuôi chiều của thiết bị 11

6.6.2 TN2: Khảo sát trường hợp ngược chiều của thiết bị 19

6.7 BÀN LUẬN CHUNG: 25

6.7.1 Về sự ảnh hưởng của chiều chuyển động các dòng đến quá trình truyền nhiệt 25

6.7.2 Về sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng đến quá trình truyền nhiệt 25

6.8 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

Trang 3

BÀI 6 THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT VỎ ỐNG

6.1 GIỚI THIỆU

Trong công nghiệp đặc biệt là lĩnh vực công nghệ hoá học, thực phẩm và môitrường sự biến đổi vật chất luôn kèm theo sự toả nhiệt hay thu nhiệt do đó cần phảicó nguồn thu năng lượng nhiệt (thiết bị làm lạnh hay ngưng tự) hay nguồn toả nhiệt(thiết bị gia nhiệt, đun sôi)

Quá trình truyền nhiệt được phẩn 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 ởđó nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian Quátrình truyền nhiệt không ổn định là quá trình mà ở đó nhiệt độ thay đổi theo cảkhông gian và thời 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 truyềnnhiệt 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, việc nghiêncứu quá trình truyền nhiệt không ổn định nhằm mục đính là điều khiển các quá trìnhkhông ổn định để đưa về trạng thái ổn định, ngoài ra lý thuyết về truyền nhiệt khôngổn định khá phức tạp Do đó, trong chương trình này chúng ta chỉ xét đến quá trìnhtruyền nhiệt ổn định

Quá trình truyền nhiệt là quá trình một chiều, nghĩa là nhiệt lượng chỉ được truyềntừ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp và truyền từ vật này sang vật kháchay từ không gian này sang không gian khác thường theo một phương thức cụ thểnào đó hoặc là tổ hợp các nhiều phương thức (truyền nhiệt phức tạp) Các phươngthức truyền nhiệt về cơ bản gồm dẫn nhiệt, nhiệt đối lưu, bức xạ

Trong bài thực hành này chúng ta tiếp cận thiết bị truyền nhiệt loại vỏ ống, quá trìnhtruyền nhiệt được xem là truyền nhiệt biến ổn định

Trang 4

6.2 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

- Mục đích của quá trình nhằm thực hiện một giai đoạn nào đó trong uy trình côngnghệ, đó có thể là đun nóng , làm nguội, ngưng tụ hay bốc hơi Tùy thuộc vào bảnchất của quá trình mà ta có sự phân bố các dòng sao cho giảm tổn thất, tăng hiệusuất của quá trình Khảo sát quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng nóng và lạnh, sự thayđổi lưu lượng giữa mỗi dòng

- Tính toán hiệu suất toàn phần dựa vào cân bằng nhiệt lượng ở giữa những lưulượng dòng khác nhau

- Khảo sát ảnh hưởng của chiều chuyển động lên quá trình truyền nhiệt trong 2trường hợp xuôi chiều và ngược chiều

- Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị ống xoắn từ đó so sánhvới kết quả tính toán theo lý thuyết KLT

6.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Quá trình trao đổi nhiệt giữa 2 dòng lưu chất qua một bề mặt ngăn cách rất thườnggặp trong các lĩnh vực công nghiệp hoá chất, thực phẩm, hoá dầu, Trong đó nhiệtlượng do dòng nóng toả ra sẽ được dòng lạnh thu vào Mục đích của quá trình nhằmthực hiện một giai đoạn nào đó qui trình công nghệ, đó có thể là đun nóng, làmnguội, ngưng tụ hay bốc hơi, Tuỳ thuộc vào bản chất quá trình mà ta sẽ bố trí sựphân bố của các dòng sao cho giảm tổn thất, tăng hiệu suất của quá trình

Hiệu suất của quá trình trao đổi nhiệt cao hay thấp tuỳ thuộc vào cxách ta bố trí thiếtbị, điều kiện hoạt động, Trong đó, chiều chuyển động của các dòng có ý nghĩa rấtquan trọng

- Cân bằng năng lượnhg khi 2 dòng lỏng trao đổi nhiệt gián tiếp:

- Nhiệt lượng do dòng nóng toả ra: QN = GN.CN

- Nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào: QL = GL.CL

- Nhiệt lượng tổn thất: Qf = QN - QL

Trang 5

- Cân bằng nhiệt lượng: QN = QL + Qf

- Nhiệt lượng trao đổi: Q = KF

Với = (hiệu số nhiệt độ trung bình logarit)

- Xét 2 trường hợp:

- Hiệu suất nhiệt độ của dòng nóng:

- Hiệu suất nhiệt độ của dòng lạnh:

Ta có:

- Hiệu suất nhiệt độ hữu ích của quá trình truyền nhiệt:

- Hiệu suất của quá trình truyền nhiệt:

- Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm:

Trong đó: Với F = , m2

(dtb = ): là đường kính trung bình của ống truyền nhiệt, m

Trang 6

*Hệ số cấp nhiệt (dòng nóng):

- Chuẩn số Reynolds:

v: là độ nhớt của dòng nóng

- Chuẩn số Prandtl:

- Tính chuẩn số Nusselt:

Nếu dòng nóng chảy xoáy:

Nếu dòng nóng chảy quá độ:

*Hệ số cấp nhiệt (dòng lạnh):

- Chuẩn số Reynolds:

với

6.4 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

6.4.1 Sơ đồ hệ thống

6.4.1.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm truyền nhiệt loại ống trùm

Trang 7

6.4.2 Trang thiết bị, hoá chất

Bài thực hành được trang bị hệ thống tủ điện điều khiển hệ thống bơm, điện trở, càiđặt 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 mức

2/3 thùng Trước khi cho nước vào thùng phải đóng van xả ở đáy

- Đóng nắp thùng chứa nước nóng và lạnh (nếu có)

- Cài đặt nhiệt độ trên bộ điều khiển ON/OFF

- Bật công tắc điện trở

- Khi nhêịt độ trong thùng chứa nước nóng TN đạt giá trị cài đặ thì bắt đầu tiến

hành thí nghiệm

- Trên mô hình thiết bị ống chùm và ống xoắn bố trí dòng chảy xuôi chiều hayngược chiều chỉ cần điều chỉnh dòng lạnh, còn dòng nóng thì luôn bố trí cố định mộtchiều từ trên xuống

- Trên mô hình thiết bị ống lồng ống thì dòng nóng cố định một chiều chảy từ dướilên

6.5 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

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

6.5.1.1 Chuẩn bị

- Trước khi mở bơm phải đảm bảo hệ thống van phải phù hợp (nghĩa là phải có dòngchảy), tránh trường hợp mở bơm mà không có dòng chảy (nghĩa là van đóng mở sai)thì sẽ gặp hiện tượng như sau:

o Lưu lượng kế không thấy hoạt động

o Tiếng kêu động cơ lớn hơn bình thường

Trang 8

o Bung một số khớp nối mềm (nếu có)

o Xì nước ở roăn mặt bích

o Có khả năng hỏng bơm (bốc mùi khét)

 Gặp hiện tượng 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 trọngvì nếu bật điện trở mà không có nước trong thùng thì chỉ cần 1-3 phút điện trở sẽhỏng (trường hợp này sinh viên hoặc tổ trực tiếp thực hành phải bồi thường do sựbất cẩn của mình)

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

- Phải xác định được các vị trí đầu dò nhiệt độ, quan trọng đó là nhiệt độ nóng vào

và nóng ra, lạnh vào, lạnh ra nếu việc đánh số trên các đầu dò không khớp mô hìnhở sơ đồ thì sinh viên có thể dùng phán đoán như sau:

o Nhiệt độ cài đặt luôn cao nhất (T9)

o Nhiệt độ nóng vào cao thứ nhì (T1, T5)

o Nhiệt độ lạnh vào luôn thấp nhất (T2, T4, T6, T8)

o Nhiệt độ nhiệt độ nóng ra (T3, T7) lớn hơn lạnh ra (T2, T4, T6, T8) nếu bố tríchảy xuôi chiều

- Khi mở bơm khởi động phải mở van hoàn lưu (VL1, VN1)

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

6.5.1.2 Các lưu ý

- Trước khi mở điện trở phải đảm bảo trong thùng có nước ít nhất 2/3 thùng

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

- Trước khi mở bơm phải đảm bảo hệ thống van phải phù hợp

- Khi mở bơm khởi động phải mở van hoàn lưu

Trang 9

- Khi điều chỉnh lưu lượng cần điều chỉnh lưu lượng dòng nóng nước và điều chỉnhxong cho dòng nóng đi qua nhánh phụ sao đó tắt bơm nóng Tiếp theo điều chỉnhlưu lượng dòng lạnh, điều chỉnh xong mở bơm nóng.

- Nhiệt độ đầu vào mỗi thí nghiệm phải giống nhau

6.5.1.3 Báo cáo

- Xác định nhiệt lượng do dòng nóng tỏa 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 suất của quá trình truyền nhiệt

- Xác định hệ số truyền nhiệt thực nghiệm

- Xác định hệ số truyền nhiệt theo lý thuyết

- Vẽ đồ thị biểu diễn hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị từ đó so sánhvới kết quả tính toán theo lý thuyết KLT trong trường hợp xuôi chiều

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

- Vẽ đồ thị biểu diễn hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị từ đó so sánhvới kết quả tính toán theo lý thuyết KLT trong trường hợp ngược chiều và so sánh vớithí nghiệm 1

Trang 10

- Tương tự có thể khảo sát các thiết bị TB2 đối với mô hình ống chùm và ống xoắnhoặc có thể tháo lắp các thiết bị khác đối với mô hình thiết bị ống lồng ống

6.5.2.4 Kết thúc bài thực hành

- Tắt bơm nóng và bơm lanh

- Tắt công tắc điện trở, điều chỉnh bộ điều khiển nhiệt độ về 20°C

- Tắt công tắc tổng

- Tắt cầu dao nguồn

- Chờ nước nguội dưới 50°C

- Xả nước trong các thùng

- Khóa van nước nguồn cấp

- Vệ sinh máy và khu vực máy

- Ghi chép vào sổ nhật ký sử dụng máy

6.5.2.5 Báo cáo

- Vẽ đồ thị biểu diễn hệ số truyền nhiệt thực nghiệm KTN của thiết bị tự do quả tínhtoán theo lý thuyết KLT trong trường hợp xuôi chiều

6.6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU

6.6.1 TN1: Khảo sát trường hợp xuôi chiều của thiết bị

Bảng 1.1: Kết quả khảo sát thực nghiệm trường hợp chảy xuôi chiều thiết bi

VNóng

Lạnh(LPM) T

1 (nóngvào) T

3 (nóngra) T

2 (lạnhvào) T

4 (lạnhra) Tnồi (oC)

Trang 11

Tra bảng 1.249 (tr.310): sổ tay QTTB Tập 1, ta có bảng sau:

Bảng1.2: Tra Khối lượng riêng và độ nhớt của nước thay đổi theo nhiệt độ

Nhiệt độ T

(oC)

Khối lượngriêng ρ(Kg/m3)

Độ nhớt υ

× 106(m2/s)

Nhiệt dungriêng Cp(kJ/kg.độ)

Hệ số dẫnnhiệtλ×102(W/m.độ)

a/ Tính toán kết quả khảo sát:

 Hiệu suất nhiệt đô

- Hiệu suất nhiệt đô của dòng nóng:

Trang 12

Bảng 1.3: Kết quả tính toán hiệu suất nhiệt độ

STT ∆T N = T nóngvào - T nóngra ∆T L =T lạnhra -T lạnhvào Ƞ N Ƞ L Ƞ hi

Trang 13

 = 0,000015324364.(43,5)3 – 0,00584994855.(43,5)2 + 0,016286058705.43,5 +1000,04105055224 = 990,94 (Kg/m3)

QN =GN.CN = GN.CN = = 5185 (W)

- Nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào:

GL = VL (kg/s)

QL = GL.CL = GL.CL (W)

- Nhiệt lượng tổn thất: Qf = QN - QL = 5175,163 – 2494,45 = 2499 (W)

- Hiệu suất của quá trình truyền nhiệt

Trang 14

Đường kính trung bình của ống truyền nhiệt:

Diện tích bề mặt truyền nhiệt ống chùm:

F = π dtb L = π.0,009.0,65.19 = 0,35 (m2)

Vì dòng nóng đi trong ống nên nhiệt lượng trao đổi sẽ là nhiệt lượng dòng nóng, do đó:

KTN = = = 1833,477 (W/m2K)

Bề dày ống: )

Độ dẫn nhiệt:

Đường kính tương đương của thiết bị:

Ta có: Dt = 0,1m là đường kính trong của ống inox

dn = 0,01m là đường kính ngoài của ống trong thiết bih thuỷ tinh

Trong đó: D là diện tích ướt (m2), C là chu vi mặt cắt ướt (m)

Tính hệ số cấp nhiệt (dòng nóng) và (dòng lạnh):

 Hệ số cấp nhiệt (dòng nóng)

* Chuẩn số Reynolds tại t = 43,75 oC

*Chuẩn số Prandtl:

Pr =

Sử dụng sổ tay QTTB tra chuẩn số Prandtl dòng nóng ở

Chuẩn số Grashoff:

Trong đó: g = 9,81 m/s2

l==0,008 m

Trang 15

là độ nhớt động học của nước ở

là hệ số giãn nở thể tích của nước ở

Chuẩn số Nuselt:

Vì = 1130,287 < 2300  dòng nóng chảy tầng;

Nu = 0,158

Nu = 0,158

- Hệ số cấp nhiệt α N là:

Tra bảng = 63,4.10-2 hệ số dẫn nhiệt của nước ở

αN = = = 792,717 (W/m2.độ)

 Xác định α 2 dòng lạnh

Tốc độ dòng chảy của dòng lạnh:

- Chuẩn số Reynolds

Sử dụng sổ tay QTTB tra chuẩn số Prandtl ở ,

Vì

Vì 2300 < ta dùng công thức tính chuẩn số Nusselt như sau:

Mặt khác:

Hệ số cấp nhiệt của dòng nóng:

- Hệ số truyền nhiệt lý thuyết là:

KLT = = = 477,793 (W/m2.độ)

với = = = 1 (mm) = 0.001 (m)

Trang 16

Bảng 1.5: Kết quả tính toán hệ số truyền nhiệt

α N

(W/m 2 K )

α L

(W/m 2 K )

K LT

(W/m 2 K )

Trang 17

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0

Trường hợp xuôi chiều

K thưc nghi m ê K lý thuyết

- Trong trường hợp xuôi chiều, ta thấy ở mức lưu lượng VN = 5 l/ph KLT lớn hơn

KTN, còn ở mức VN = 10,15,20 l/ph trở đi thì KLT càng lớn hơn nhiều so với KTN

- Nhìn hình ta thấy KLT tăng dần do lưu lượng Truyền nhiệt xuôi chiều có hiệu suấtcao hơn là truyền nhiệt ngược chiều

- Sở dĩ có sự khác nhau như vậy là vì trong quá trình tính toán KTN chỉ có tính đến

QN và log mà 2 yếu tố này lại phụ thuộc vào nhiệt độ do các đầu do báo về

- Trong quá trình tính toán KLT thì ta sẽ đi tính các chuẩn số đồng dạng như Nusselt,Reynolds Từ đó ta nhận thấy, αN của dòng nó có giá trị xấp xỉ bằng nhau ở cùngmột mức lưu lượng VN và tăng lên khi VN tăng Đối với αL của dòng lạnh thì tăngdần khi VL tăng hoặc VN tăng, điều này được giải thích là do VL tăng dẫn đến vậntốc dòng lạnh tăng dần đến Re tăng dần dẫn đến Nusselt tăng tỷ lệ thuận với αL

- Trong lúc tính toán xử lý số liệu thì KLT và KTN có lúc tăng dần lên xuống dẫn đếnlúc vẽ hình không được đẹp có thể là do trong lúc thực nghiệm sai sót hoặc là dotrong lúc xử lý số liệu bị sai do quáng gà

Định dạng
Số trang	25
Dung lượng	286,93 KB