Đang tải... (xem toàn văn)
báo cáo thí nghiệm các quá trình và thiết bị truyền nhiệt
Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim BÀI 1: THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT ỐNG KÉP 1.1 Mục đích thí nghiệm: - Làm quen với thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống, các dụng cụ đo nhiệt độ và lưu lượng lưu chất. - Xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt giữa hai dòng lạnh và nóng qua vách kim loại ở các chế dộ chảy khác nhau. - Thiết lập cân bằng nhiệt lượng. 1.2 Cơ sở lý thuyết: 1.2.1 Các khái niệm: Truyền nhiệt Truyền nhiệt là một quá trình phức tạp xảy ra đồng thời 3 dạng trao đổi nhiệt: trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt bằng đối lưu nhiệt và trao đổi nhiệt bằng bức xạ nhiệt. Chiều quá trình Trong tự nhiên quá trình truyền nhiệt chỉ xảy ra theo một chiều từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp. Chất tải nhiệt Chất tải nhiệt là chất mang nhiệt từ nơi này tới môi trường khác theo quy luật tự nhiên. Truyền nhiệt trực tiếp Truyền nhiệt trực tiếp là quá trình truyền nhiệt mà chất tải nhiệt tiếp xúc trực tiếp với vật liệu. Truyền nhiệt gián tiếp Truyền nhiệt gián tiếp lầ quá trình truyền nhiệt mà chất tải nhiệt không tiếp xúc trực tiếp với vật liệu mà thông qua vật ngăn. Truyền nhiệt ổn định Page 1 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Truyền nhiệt ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian. Truyền nhiệt không ổn định Truyền nhiệt không ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt độ thay đổi cả theo không gian và thời gian. Trường nhiệt Trường nhiệt đặc trưng cho độ nóng của vật là nhiệt độ (toC, toK). Tập hợp tất cả những giá trị nhiệt độ của vật hoặc môi tường gọi là trường nhiệt. Nhiệt trường ổn định Nhiệt trường ổn định là nhiệt trường mà nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà chỉ thay đổi theo thời gian. T = f(x,y,z) Nhiệt trường không ổn định Nhiệt trường không ổn định là nhiệt trường mà nhiệt độ thay đổi theo cả không gian và thời gian. T = f(x,y,z,t) Mặt đẳng nhiệt Mặt đẳng nhiệt là tập hợp các điểm có nhiệt độ bằng nhau. Quá trình dẫn nhiệt không xảy ra trên một mặt đẳng nhiệt, mà chỉ dẫn nhiệt từ mặt đẳng nhiệt này đến mặt đẳng nhiệt kia. 1.2.2 Các quá trình truyền nhiệt: Trong thực tế quá trình truyền nhiệt diễn ra theo 3 phương thức truyền nhiệt cơ bản sau. Dẫn nhiệt Dẫn nhiệt là sự truyền nhiệt năng từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp. do sự truyền động năng hoặc dao động va chậm vào nhau, nhưng không có sự chuyển rời vị trí giữa các phân tử vật chất. dẫn nhiệt chỉ xảy ra khi truyền nhiệt của các chất rắn hoặc truyền nhiệt của chất lỏng, chất khí đứng yên hay chuyển động dòng. Định luật Fourien Xét trên một mặt phẳng có diện tích F có dòng nhiệt dẫn qua theo phương vuông góc với mặt phẳng, định luật Fourien phát biểu như sau: Page 2 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Mật độ dòng nhiệt truyền qua bằng phương thức dẫn nhiệt theo phương quy định tỷ lệ thuận với diện tích vuông góc với Phương truyền nhiệt và gradian nhiệt độ theo phương ấy. (W) (W/m2) − − − − Qx: dòng nhiệt truyền qua diện tích F (j/s) qx: mật độ dòng nhiệt (W/m2) F: diện tích bề mặt truyền nhiệt vuông góc với phương x (m2) λ: hệ số dãn nhiệt W/m.độ Thực nghiệm chứng tỏ λ là một thông số vật lý biểu diển khả năng dẫn nhiệt của vật liệu. • • • • Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, vật liệu, cấu trúc vật liệu. Hệ số dẫn nhiệt của chất khí trong khoảng 0,006÷0,6 (W/m.độ) Hệ số dẫn nhiệt của chất khí trong khoảng 0,007÷0,7 (W/m.độ) Hệ số dẫn nhiệt của chất rắn phụ thuộc vào kết cấu, độ xốp và độ ẩm của vật liệu. Từ định luật Fourien cơ bản người ta đưa ra các dạng phương trình truyền nhiệt cho các trường hợp cụ thể. Ở đây ta chỉ nêu trường hợp dẫn nhiệt ổn định qua ống Dẫn nhiệt ổn định qua ống Nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt qua vách trụ (ống) nhiệt độ bề mặt vách trong t 1, nhiệt độ vách ngoài t2 không thay đổi. vật liệu có hệ số dẫn nhiệt λ không đổi. Ta có phương trình dẫn nhiệt như sau: (W) − − L: chiều dài của ống (m) d1, d2: đường kính trong và ngoài của ống (m) Page 3 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Còn (m) Và diện tích bề mặt trung bình: (m2) Tỷ số d2/d1 10000: Trong đó giá trị C phụ thuộc Re theo bảng sau: Re 2100 2200 2300 2400 2500 C 1,9 2,2 3,3 3,8 4,4 Re 3000 4000 5000 6000 8000 10000 Page 8 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim C 6,0 10,3 15,5 19,5 27,0 33,0 Giá trị εL phụ thuộc vào tỉ lệ L/d khi Re < 10000 L/d 1,0 2,0 5,0 10,0 15,0 29,0 30,0 40,0 ≥50,0 εL 1,9 1,7 1,44 1,28 1,18 1,13 1,05 1,02 1,00 Khi Re >10000 thì hệ số εP phụ thuộc vào Re và L/d như sau: 10,0 20,0 30,0 40,0 ≥50 1.104 1,23 1,13 1,07 1,03 1,00 2.104 1,18 1,10 1,05 1,02 1,00 5.104 1,13 1,08 1,04 1,02 1,00 1.105 1,10 1,06 1,03 1,02 1,00 1.106 1,05 1,03 1,02 1,01 1,00 L/d Re Chuẩn số Grashof (Gr) Chuẩn số Grashof đặc trưng cho quan hệ giữa lực ma sát phân tử và lực kéo do tỉ trọng khác nhau, ở những điểm có nhiệt độ không giống nhau trong cùng một dòng lưu chất (nước). Trong đó − Gr: chuẩn số Grashof − ν: độ nhớt động học của lưu chất (m2/s) − dtd: đường kính tương đương của tiêt diện dòng chảy (m) − ρ: khối lượng riêng của lưu chất (nước), (kg/m3) − µ: độ nhớt động lực học của nước (N.S/m2). − ∆t: hiệu nhiệt độ giữa lưu chất và thành ống, trong bài thí nghiệm này ta lấy ∆t=6oC Page 9 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim − β: hệ số giãn nở thể tích (phụ thuộc vào nhiệt độ), (1/oC) T(oC) 0 20 40 60 80 100 120 β(1/oC) -0,6.10-4 2,1.10-4 3,9.10-4 5,3.10-4 6,3.10-4 7,5.10-4 8,6.10-4 ⇒ 1.4. Thiết bị thí nghiệm: Hệ thống thiết bị thí nghiệm có các thiết bị thành phần sau: Nồi đun nước nóng được gia công bằng thép không gỉ có dạng lăng trụ đứng với đường kính D=395mm, chiều cao nồi là H=500mm Thành nồi có lớp bảo ôn dày 30mm, trong nồi có hai điện trở gia nhiệt để đun sôi nước. Một bơm nước nóng có công suất 0,5 HP dùng để bơm nước nóng từ nồi đun đế hệ thống trao đổi nhiệt. Hộp điều khiển hệ thống thiết bị. o Ống kép chảy ngang là loại ống lồng ống mà lưu chất lạnh chảy ngang mặt ngoài của ống trong . o Ống kép chảy dọc là loại ống lồng ống đơn giản, lưu chất nóng chảy dọc mặt trong của ống trong và lưu chất lạnh chảy dọc trong khoảng không gian giữa hai ống. o Một lưu lượng kế dạng phao dùng để đo lưu lượng của nước nóng và nước lạnh. Loại ống Kích thước Kích thước Chiều dài Ống trong (mm) Ống ngoài (mm) (mm) Chảy dọc Φ18/22 Φ30/34 1050 Chảy ngang Φ18/22 Φ30/34 1050 Page 10 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim 1.5 Sơ đồ nguyên lý thiết bị: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ A. Điện trở đun nước a. Công tắc tổng B.Nồi đun nước nóng b. Công tắc bơm C.Bơm nước nóng c. Công tắc điện trở đun nóng. D. Lưu lượng kế d. Đồng hồ hiển thị nhiệt độ. E. TBTN kiểu chảy ngang Page 11 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim F. TBTN kiểu chảy dọc V. Các van 1.6 Kết quả thí nghiệm: Bảng số liệu từ phòng thí nghiệm Lưu lượng dòng Lưu lượng dòng lạnh G'L nóng G'N (L/P) (L/P) 3 L/P 6 L/P 9 L/P Nhiệt độ Nhiệt độ dòng nóng dòng lạnh tNV tNR tLV tLR G'L1=3 75 71 30 39 G'L2=6 78 72 30 40 G'L3=9 80 77 30 41 G'L1=3 78 74 30 39 G'L2=6 79 76 30 40 G'L3=9 82 82 30 41 G'L1=3 79 77 30 39 G'L2=6 80 78 30 40 G'L3=9 83 80 30 41 Các bảng số liệu tính toán Bảng 1: Nhiệt lượng tỏa ra của dòng nóng QN Page 12 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim G’N GN tNV tNR tNTB (L/P) (kg/s) (0C) (0C) (0C) 3 0,0488 75 71 73 0,0487 78 72 0,0486 80 0,0974 6 9 C1 QN (J/kg.độ) (W) 975.85 4190 817.888 75 974.75 4190 1224.318 77 78.5 972.83 4190 610.902 78 74 76 974.20 4190 1632.424 0,0973 79 76 77.5 973.38 4190 1224.318 0,0970 82 82 82 970.60 4194 0.000 0,1460 79 77 78 973.10 4190 1223.480 0,1459 80 78 79 972.55 4190 1222.642 0,1451 83 80 81.5 967.45 4203 1829.566 C2 QL (J/kg.độ) (W) (kg/m3) QN = GN .CN (TNV – TNR ) Bảng 2: Nhiệt lượng thu vào của dòng lạnh QL G’L GL tLV tLR tLTB (L/P) (kg/s) (0C) (0C) (0C) 3 0,04968 30 39 34.5 993.65 4176.38 1867.343 0,04968 30 40 35 993.50 4176.25 2074.761 0,04967 30 41 35.5 993.35 4176.13 2281.712 (kg/m3) Page 13 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim 6 9 0,09937 30 39 34.5 993.65 4176.38 3735.062 0,09935 30 40 35 993.50 4176.25 4149.104 0,09934 30 41 35.5 993.35 4176.13 4563.424 0,14905 30 39 34.5 993.65 4176.38 5602.405 0,14903 30 40 35 993.50 4176.25 6223.865 0,14900 30 41 35.5 993.35 4176.13 6844.677 Bảng 3: Tính Q, tlog, KL* (W) (W) (m) (W) (W/m.độ) ( ) ( ) ( ) ( ( ) ) 817.888 1867.343 1049.455 75 71 30 39 1.05 38.13 46.64 1224.318 2074.761 850.443 78 72 30 40 1.05 39.46 50.08 610.902 2281.712 1670.81 80 77 30 41 1.05 42.62 50.99 1632.424 3735.062 2102.638 78 74 30 39 1.05 41.16 86.42 1224.318 4149.104 2924.786 79 76 30 40 1.05 42.17 93.70 0.000 4563.424 4653.424 82 82 30 41 1.05 46.28 93.91 1223.480 5602.405 4378.925 79 77 30 39 1.05 43.27 123.31 1222.642 6223.865 5001.223 80 78 30 40 1.05 43.73 135.55 1829.566 6844.677 5015.111 83 80 30 41 1.05 45.64 142.83 Q = Page 14 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim (với chiều dài ống L= 1050 mm=1,05m) Bảng 4: Chuẩn số Re của dòng nóng ReN (Re1) FN 2 (m ) dtđN tNV tNR (m) o o (C ( C) tNTB 3 0,1965 6 2.545.10-4 0.018 0,3929 9 0,5894 .10-3 o ( C) (Kg/m3) (m/s) (L/P) ReN (N.s/m2) 75 71 73 975.85 0.3958 8720.52 78 72 75 974.75 0.3846 8964.35 80 77 78.5 972.83 0.3649 9429.71 78 74 76 974.20 0.3790 18178.73 79 76 77.5 973.38 0.3705 18580.13 82 82 82 970.60 0.3492 19657.15 79 77 78 973.10 0.3677 28076.73 80 78 79 972.55 0.3621 28494.83 83 80 81.5 967.45 0.3510 29241.80 Tính diện tích tiết diện dòng nóng FN Page 15 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim với 3 Lít/phút = 3.10-3 m3 / p = = 0,1965 (m/s) = = 0,3929 (m/s) = = 0,5895 (m/s) Bảng 5: Chuẩn số Re của dòng lạnh ReL (Re2) FL 2 (L/P) (m ) dtđN tLV tLR (m) o o ( C) ( C) tLTB 0,15 6 0,31 3.266.10-4 .10-3 o ( C) (Kg/m3) (m/s) 3 ReL (N.s/m2) 30 39 34.5 993.65 0.7520 15856.12 30 40 35 993.50 0.7433 16039.28 30 41 35.5 993.35 0.7345 16229.00 30 39 34.5 993.65 0.7520 32769.31 30 40 35 993.50 0.7433 33147.85 30 41 35.5 993.35 0.7345 33539.93 Page 16 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim 9 0.008 0,46 30 39 34.5 993.65 0.7520 48625.43 30 40 35 993.50 0.7433 49187.14 30 41 35.5 993.35 0.7345 49768.93 Tốc độ chảy của dòng lạnh ω2 (m/s) Với mỗi giá trị {3, 6, 9} thì tương ứng cho các giá trị ωL -3 G’L = 3 lít/phút = 3.10 (m3 / p) = = 0,15 (m/s) = = 0,31 (m/s) = = 0,46 (m/s) Tính chuẩn số Reynol của dòng lạnh Chú ý nếu tính dtđ cho mặt cắt ướt thì dtdL = Dt – dng tính theo chu vi ướt dtđ = 4F/ U với U = (Dt + dng ); F = trong đó: U là chu vi ướt; Dt là đường kính trong của ống ngoài, dng là đường kính ngoài của ống trong. Dt = 30 mm = 0,03 m; dng = 22 mm = 0,022 m dtdL = Dt – dng = 0,03 – 0,022 = 0,008 (m) F= = U= (Dt + dng) = – = 3,266.10-4 (m2) (0,03 + 0.022) = 0,163 (m) dtđ = 4F/ U = 4.3,266.10-4 / 0,163 = 0,008 (m) Page 17 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim suy ra: dtđ = dtdL Bảng 6: Chuẩn số Pranlt của dòng nóng Pr1 tNV tNR tNTB C1 (oC) (oC) (oC) (J/kg.độ) Pr1 .10-3 (N.s/m2) (w/m.độ) 75 71 73 4190 0.3958 0.66675 2.487 78 72 75 4190 0.3846 0.66825 2.011 80 77 78.5 4190 0.3649 0.67088 2.279 78 74 76 4190 0.3790 0.66900 2.374 79 76 77.5 4190 0.3705 0.67013 2.317 82 82 82 4194 0.3492 0.67280 2.177 79 77 78 4190 0.3677 0.67050 2.298 80 78 79 4190 0.3621 0.67125 2.260 83 80 81.5 4203 0.3510 0.67260 2.193 Dựa vào bảng tra thông số hóa lý của lưu chất, áp dụng công thức nội suy để tính Tính chuẩn số Prank dòng nóng Bảng 7: Chuẩn số Pranlt của dòng lạnh Pr2 tLV tLR tLTB C2 Pr2 .10-3 Page 18 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim (oC) (oC) (oC) (J/kg.độ) (N.s/m2) (w/m.độ) 30 39 34.5 4176.38 0.7520 0.62963 4.988 30 40 35 4176.25 0.7433 0.63075 4.921 30 41 35.5 4176.13 0.7345 0.63188 4.854 30 39 34.5 4176.38 0.7520 0.62963 4.988 30 40 35 4176.25 0.7433 0.63075 4.921 30 41 35.5 4176.13 0.7345 0.63188 4.854 30 39 34.5 4176.38 0.7520 0.62963 4.988 30 40 35 4176.25 0.7433 0.63075 4.921 30 41 35.5 4176.13 0.7345 0.63188 4.854 Dựa vào bảng tra thông số hóa lý của lưu chất, áp dụng công thức nội suy để tính Tính chuẩn số Prank dòng lạnh Bảng 8: Hệ số cấp nhiệt của dòng nóng Re1 Pr1 Nu1 dtđ1 (m) (w/m.độ) (W/m2 .độ) 8720.52 2.487 0. 98 81.363 0.018 0.66675 3013. 821 Page 19 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim 8964.35 2.011 0. 98 76.305 0.018 0.66825 2832. 823 9429.71 2.279 0. 98 82.488 0.018 0.67088 3074. 419 18178.73 2.374 0. 98 124.213 0.018 0.66900 4616. 583 18580.13 2.317 1.00 125.326 0.018 0.67013 4665. 817 19657.15 2.177 1.00 126.601 0.018 0.67280 4732. 064 28076.73 2.298 1.0 113.267 0.018 0.67050 3841. 639 28494.83 2.260 1.0 113. 910 0.018 0.67125 4247. 893 29241.80 2.193 1.0 115.005 0.018 0.67260 4297. 353 Tính hệ số cấp nhiệt cho dòng nóng α1 Áp dụng công thức : Bảng 9: Hệ số cấp nhiệt của dòng lạnh Re2 Pr2 Nu2 dtđ2 (m) Page 20 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim (w/m.độ) (W/m2.độ) 15856.12 4.988 0. 99 152.117 0.008 0.62963 11972.178 16039.28 4.921 0. 99 152.384 0.008 0.63075 12014.526 16229.00 4.854 0. 99 152.666 0.008 0.63188 12058.324 32769.31 4.988 0. 99 170.311 0.008 0.62963 13404.114 33147.85 4.921 0. 99 171.025 0.008 0.63075 13484.252 33539.93 4.854 0. 99 171.768 0.008 0.63188 13567.095 48625.43 4.988 0. 99 233.539 0.008 0.62963 18380.395 49187.14 4.921 0. 99 234.519 0.008 0.63075 18490.375 49768.93 4.854 0. 99 235.538 0.008 0.63188 18603.968 Tính hệ số cấp nhiệt của dòng lạnh α2 Bảng 10: Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết KL D1 D2 KL (m) (m) (w/m.độ) (w/m.độ) (W/m2.độ) (W/m2.độ) 3013. 821 11972.178 0,018 0,022 46,5 0 128.817 2832. 823 12014.526 0,018 0,022 46,5 0 122.947 3074.419 12058.324 0,018 0,022 46,5 0 130.913 4616.583 13404.114 0,018 0,022 46,5 0 178.675 4665.817 13484.252 0,018 0,022 46,5 0 180.183 Page 21 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim 4732.064 13567.095 0,018 0,022 46,5 0 182.139 3841.639 18380.395 0,018 0,022 46,5 0 164.549 4247.893 18490.375 0,018 0,022 46,5 0 177.548 4297.353 18603.968 0,018 0,022 46,5 0 179.224 Bảng 11: Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt và chế độ chảy của dòng nóng 15856.12 46.64 128.817 16039.28 50.08 122.947 16229.00 50.99 130.913 32769.31 86.42 178.675 33147.85 93.70 180.183 33539.93 93.91 182.139 48625.43 123.31 164.549 49187.14 135.55 177.548 49768.93 142.83 179.224 Đồ thị Page 22 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim K*L KL KL KL: hệ số truyền nhiệt dài thực tế K*L: hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết Nhận xét: Hệ số truyền nhiệt thực tế và lý thuyết của ống chảy ngang và chảy dọc đều rất khác xa nhau. Trong bài thí nghiệm này sai số lên tới hang trăm đơn vị. Quá trình tính toán cũng góp một phần vào sự sai số rất nhiều. Trong công nghiệp thì người ta thường áp dụng chảy dọc vì hệ số dẫn nhiệt của nó cao hơn, tiết kiệm được diện tích và chi phí hơn so với ống chảy ngang Câu hỏi chuẩn bị 1 Mục đích bài thí nghiệm? Trả lời: Mục đích thí nghiệm - Làm quen với thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống, các dụng cụ đo nhiệt độ và lưu lượng lưu chất. - Xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt giữa hai dòng lạnh và nóng qua vách kim loại ở các chế dộ chảy khác nhau. Page 23 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim - Thiết lập cân bằng nhiệt lượng. Các thông số cần đo? 2 Trả lời: G’L, G’N: lưu lượng thể tích của dòng lạnh và dòng nóng (lít/phút) tNV, tNR: nhiệt độ vào, ra của dòng nóng (oC) tLV, tLR: nhiệt độ vào, ra của dòng lạnh (oC) − − − Trình tự thí nghiệm? 3 Trả lời: − Chuẩn bị thí nghiệm − Khảo sát quá trình truyền nhiệt trong ống chảy vuông góc − Khảo sát quá trình truyền nhiệt trong ống chảy dọc − Ngưng- tắt máy 4.Thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống có phải là thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ ống không? Trả lời: Thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống là thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ ống. 5.Chỉ rõ đường đi của dòng nóng trong hệ thống thiết bị thí nghiệm. Page 24 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim 6. Chỉ rõ đường đi của dòng lạnh trong hệ thống thiết bị thí nghiệm. Page 25 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim 7 Ưu nhược điểm của thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống? Trả lời: o o 8 Ưu điểm: sự trao đổi nhiệt được phân bố đều trên khắp chiều dài của thiết bị Nhược điểm: − Hiệu suất truyền nhiệt thấp. − Diện tích tiếp xúc giữa lưu chất và ống nhỏ Hãy cho biết các phương thức truyền nhiệt cơ bản? Trong bài thí nghiệm này có những phương thức truyền nhiệt nào? Trả lời: Các phương thức truyền nhiệt cơ bản là: − − − − − 9 Truyền nhiệt trực tiếp Truyền nhiệt gián tiếp Truyền nhiệt ổn định Truyền nhiệt không ổn định Trong bài thí nghiệm này co phương thức truyền nhiệt gián tiếp và ổn định Vẽ và giải thích sơ đồ cơ chế truyền nhiệt giữa 2 lưu chất qua vách ngăn ở thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống. Trả lời: Dòng lạnh Dòng nóng Dòng lạnh Page 26 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Nhiệt truyền từ dòng lưu chất lạnh qua vách bằng dòng bức xạ hoặc đối lưu nhiệt trong vách ống và làm lạnh dòng nóng bên trong. 10 Viết phương trình cân bằng nhiệt lượng. Giải thích các thông số và cho biết đơn vị đo của chúng? Trả lời: Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho 2 dòng lưu chất nóng và lạnh có dạng Q= GN.CN(tNV-tNR)=GL.CL(tLR-tLV) Trong đó − − − − GN, GL: lưu lượng khối lượng của dòng nóng và dòng lạnh (kg/s) CN, CL: nhiệt dung riêng đẳng áp của nước nóng và nước lạnh (J/kg.độ) tNV, tNR: nhiệt độ vào, ra của dòng nóng (oC) tLV, tLR: nhiệt độ vào, ra của dòng lạnh (oC) 11 Ý nghĩa vật lý của hệ số truyền nhiệt dài KL? Công thức tính? Giải thích các thông số và cho biết đơn vị đo của chúng? Trả lời: Ý nghĩa vật lý của hệ số truyền nhiệt dài là: cho ta biết được khả năng truyền nhiệt của lưu chất. Hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm: Trong đó: − − − − Q: nhiệt lượng trao đổi (W hoặc j/s) KL: hệ số truyền nhiệt dài (W/m.độ) ∆t log: hiệu nhiệt độ logarit của hai dòng lưu chất (oC) L: chiều dài ống Hệ số truyền nhiệt dài KL: Page 27 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Trong đó: − − − − − − dtr, dng: đường kính trong và đường kính ngoài của ống truyền nhiệt (m). λinox: hệ số dẫn nhiệt của kim loại chế tạo ống (w/m.độ) α1, α2: hệ số cấp nhiệt của dòng nước nóng, dòng nước lạnh (w/m2.độ) rb: hệ số nhiệt của cặn bẩn (m2.độ/w) db: đường kính lớp bẩn (m) KL: hệ số truyền nhiệt dài (w/m.độ) Hệ số cấp nhiệt α1, α2 giữa vách ngăn và các dòng lưu chất được tính từ chuẩn số Nusselt (Nu) 12 Viết phương trình truyền nhiệt? Giải thích các thông số và cho biết đơn vị đo của chúng? Trả lời: Phương trình truyền nhiệt dQ=k(t1 – t2)dF=k∆tdF k: hệ số truyền nhiệt (W/m2.oC) t1 – t2: độ chênh nhiệt độ giữa chất lỏng nóng và lạnh trên bề mặt phân bố dF. ⇒Q= Với =∆tTB=∆tlog 13 Ảnh hưởng của chế độ chảy đến quá trình truyền nhiệt? Giải thích. Trả lời: Page 28 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Chế độ chảy rối làm tăng khả năng truyền nhiệt vì chế độ chảy rối xảy ra khi vận tốc chảy lớn làm tăng khả năng va chạm của lưu chất lên thành ống nên khả năng truyền nhiệt lớn. Chế độ chảy màng tuy dòng chảy ở tốc độ tháp nhưng cõng có khả năng truyền nhiệt nhưng dòng nhiệt này được cung cấp đều lên tường theo dòng chảy. Chảy chuyển tiếp là chế độ chảy giao toa giữa hai chế độ chảy trên vì thề khả năng truyền nhiệt cũng nằm trong khoảng giữa của hai chế độ 14. Phân biệt quá trình truyền nhiệt ổn định và không ổn định. Trả lời: Truyền nhiệt ổn định Truyền nhiệt ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian. Truyền nhiệt không ổn định Truyền nhiệt không ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt độ thay đổi cả theo không gian và thời gian 15 Nêu các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số cấp nhiệt α? Trả lời: Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số cấp nhiệt là: - Chế độ chảy của dòng lưu chất. Môi chất. Nhiệt độ vách. Vật liệu làm ống. Kích thước ống. 16. So sánh hiệu quả quá trình truyền nhiệt xuôi chiều và ngược chiều? Trả lời: Quá trình truyền nhiệt ngược chiều có hiệu quả hơn tại vì sự trao đổi nhiệt được phân bố đều trên khắp chiều dài của thiết bị và làm cho sản phẩm có chất lượng truyền nhiệt đồng đều. Còn truyền nhiệt xuôi chiều thì nhiệt truyền ở đầu vào là rất cao còn đầu ra là rất thấp nên hiệu quả kém hơn. Page 29 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim BÀI 2: CÔ ĐẶC 2.1 Mục tiêu thí nghiệm: − Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc và ưu nhược điểm thiết bị cô đặc gián − − đoạn 1 nồi, hoạt động trong điều kiện chân không. Vận hành được hệ thống cô đặc. Tính toán được cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và các đại lượng đặc trưng cho quá trình cô đặc. 2.2 Cơ sở lý thuyết: 2.2.1 Các khái niệm trong cô đặc: Khái niệm cô đặc − Cô đặc là quá trình làm tăng nồng đồ của dung dịch bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi, dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên gọi là hơi thứ. Mục đích của quá trình cô đặc − Làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch. − Tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn (kết tinh). − Tách dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước) 2.2.2 Các phương pháp cô đặc: Cô đặc ở áp suất khí quyển: là phương pháp đơn giản nhưng không tinh tế. Cô đặc ở áp suất chân không: dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ phân hủy vì nhiệt,… Cô đặc ở áp suất dư: dùng cho các dung dịch hông phân hủy ở nhiệt độ cao, sử dụng hơi thứ cho các quá trình khác. 2.2.3 Cân bằng vật liệu trong hệ thống cô đặc 1 nồi: Xét hệ thống một nồi Trong đó : • • Gđ - khối lượng nguyên liệu, Gc - khối lượng sản phẩm. [kg]; [kg]; kg/s kg/s Page 30 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim • • • W - lương hơi thứ, [kg]; m/s xđ - nồng độ chất khô trong nguyên liệu, [phần khối lượng] xc - nồng độ chất khô trong sản phẩm, [phần khối lượng] Theo định luật bảo toàn vật chất: • • Bảo toàn khối lượng: Gđ=Gc+W Bảo toàn chất khô: Gđ.xđ=Gc.xc Giải ra ta có: Lượng hơi thứ: Nồng độ sản phẩm cuối 2.2.4 Cân bằng nhiệt lượng: Kí hiệu: − − − − − − − − − − − tđ: nhiệt độ nguyên liệu. [độ]. tc: nhiệt độ sản phẩm, [độ]. tn: nhiệt độ nước ngưng, [độ]. cđ: nhiệt dung riêng nguyên liệu, [J/kg.độ]. cc: nhiệt dung riêng sản phẩm, [J/kg.độ]. cn: nhiệt dung riêng nước ngưng, [J/kg.độ]. i: hàm nhiệt trong hơi đốt, [J/kg]. i’: hàm nhiệt trong hơi thứ, [J/kg]. Qcđ: tổn thất nhiệt cô đặc, [J]; Qcđ=0,01.∆q.Gc. ∆q: tổn thất nhiệt cô đặc riêng, [L/kg]. Qmt: tổn thất nhiệt ra môi trường, [J]. Theo định luật bảo toàn nhiệt: ΣQv=ΣQr Gđ.cđ.tđ+D.i=Gc.cc.tc+W.i’+D.cn.tn+Qcđ+Qmt Page 31 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Rút ra: Lượng hơi đốt tiêu tốn: Trong quá trình tính toán nhiệt có thể xem cc≈cđ Tính bề mặt truyền nhiệt: Q=K.F.τ.∆thi=D.(i-cn.tn) Trong đó: • • • • Q: lượng nhiệt truyền, [J]. K: hệ số truyền nhiệt, [W/m2.độ]. F: Diện tích bề mặt truyền nhiệt τ: thời gian cô đặc, [s]. ∆thi: hiệu số nhiệt hữu ích, [độ] Rút ra bề mặt truyền nhiệt , [m]. 2.3 Thiết bị thí nghiệm: Dung dịch được cô đặc theo từng mẻ, nhập liệu một lần từ thùng chứa dung dịch đầu. dung dịch sôi trong buồng bốc hơi do nhiệt truyền từ nước nóng bên vỏ ngoài. Hơi thứ bốc lên từ dung dịch sôi được dẫn qua thiết bị ngưng tụ ống xoắn để ngưng tụ thu hồi và định lượng. Một bơm chân không loại vòng nước được sử dụng để tạo chân không cho hệ thống. Hệ thống cô đặc gồm các thiết bị chính sau: Page 32 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim - Nồi cô đặc 2 vỏ cánh khuấy. Máy khuấy trộn. Thiết bị ngưng tụ ống xoắn. Bình chứa nước ngưng. Bơm chân không loài vòng nước. Áp kế đo độ chân không. Nhiệt kế điện tử. Hệ thống điện. Xô nhựa chứa dung dịch đầu. 2.3.1 Nồi cô đặc 2 vỏ: Nồi chứa dung dịch đường có đường kình D=250mm, cao H=500mm, bề dày δ= 5mm. Nồi được chế tạo bằng thép không gỉ AISI304. 2.3.2 Thiết bị ngưng tụ ống xoắn: Ống xoắn có đường kính φ16 được quấn thành các vòng xoắn có đường kính D= 150mm. Ống xoắn đươcj gia công bằng thép không gỉ AISI304. 2.3.3 Bơm chân không: Hệ thống sử dụng bơm chân không loại vòng nước 1HP. 2.4 Sơ đồ thiết bị: Page 33 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim 2.5 Tính toán thí nghiệm: Bảng số liệu từ phòng thí nghiệm: T Bx V(ml) 0 11 650 10 11 490 20 11.5 520 30 13 490 Page 34 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim − − − 40 13.2 450 50 14 410 60 15.2 350 70 16 270 80 17 330 90 18 330 100 20 335 110 21 330 120 22 260 Nồng độ phần khối lượng của đường nhập liệu: 11Bx vậy x=0,11 (phần khối lượng) tra bảng Sổ tay Công Nghệ Hóa Chất tập 1: 11Bx là ρ= 1044.13 (kg/m3) Tính lượng nước ngưng thực tế Vngưng = 650+490+520+490+450+410+350+270+330+330+335+330+260 = 5215 (ml) = 5.215 (lít) ⇒W*=Vngưng.ρngưng = 5,215.10-3.995,68 = 5.192 (kg) − − Vngưng: tổng thể tích nước ngưng thu được trong quá trình thí nghiệm (lít) ρngưng: khối lượng riêng của nước ngưng (kg/m 3) (ρngưng = 995,68(kg/m3) tra ở Sổ tay Công Nghệ Hóa Chất – tập 1, ở nhiệt độ phòng là 300C) Tính khối lượng dung dịch đường nhập liệu Ta có: − Vđ= 5 (lít) − ρđ=1044.13 (kg/m3) − mđường = 1 (kg) Page 35 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Mà: Gđ= mđường + mnước mnước pha= Gđ – mđường = 5.221 – 1 = 4.221 (kg) = mnước ngưng + mnước còn lại mnước còn lại = mnước pha - mnước ngưng = (với mnước ngưng = W* = 5.192 (kg)) Tính Gc , xc và W: Ta có: Gc = mđường + mnước còn lại = 1 + 0,971 = 1,971 (kg) Áp dụng định luật bảo toàn vật chất: + Bảo toàn khối lượng: Gđ = Gc + W + Bảo toàn chất khô: Gđ.xđ = Gc.xc Nhờ đó: + Nồng độ sản phẩm cuối: + Lượng hơi thứ: Tính phần trăm sai số của dung dịch sau cô đặc: Ta có: % Đánh giá sai số : %SS = 62,199 % % ≥ 5%: Phần trăm sai số của dung dịch sau cô đặc là đáng kể. Trong đó: Giải thích kết quả: - Vì thời gian có hạn nên cô đặc nước đường chưa tới mức giới hạn được. - Trong quá trình cô đặc lấy mẫu để thử độ Bx hơi nhiều nên làm mất Page 36 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim sản phẩm. - Trong quá trình rót ra ca để cân nên bị hao hụt một ít. Tính phần trăm sai số của lượng nước ngưng thu được trong quá trình cô đặc: Giả định Gc= Gc* W ≈ W* Ta có: 59.901 % Trong đó : W: lượng hơi thứ (lượng nước bốc hơi). W*: lượng nước ngưng thực tế Đánh giá sai số: Ta được %SSW= 59.901 % > 10 % Phần trăm sai số của lượng nước ngưng thu được trong quá trình cô đặc là đáng kể. Giải thích kết quả Vì thời gian có hạn nên quá trình cô đặc chưa hoàn chỉnh. Lượng mẫu thử lấy ra lúc đầu hơi nhiều. Đồ thị Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa chỉ số Bx và thời gian cô đặc T Page 37 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Bx Nhận xét: Đồ thị biểu diễn độ Bx và thời gian sấy ta thấy nồng độ Bx có xu hướng tăng theo thời gian. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa khối lượng nước ngưng thu được và thời gian T Ta có: W* = Vngưng × ρngưngWi = ( ) × ρngưng Page 38 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim W: khối lượng nước ngưng (kg) Nhờ đó ta thu được bảng số liệu sau: V (phút) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 W (kg) 647.192 487.883 517.754 487.883 448.056 408.229 348.488 268.834 328.574 328.574 333.553 328.574 258.877 Nhận xét: Page 39 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim − Quá trình làm thí nghiệm cón có nhiều sai sót, chưa nắm kĩ các thao tác thực hành và dẫn đến sai số cho quá trình tính toán. • Cách khắc phục: − Điều chỉnh pH , nhiệt độ sao cho phù hợp − Kiểm tra trang thiết bị trước khi thực hành, nếu có trục trặc thì tiến hành sữa chữa − Phân công từng người làm công việc hợp lý − Đo thời gian lấy mẫu, lấy nước ngưng cần chính xác − Chú ý quan sát độ Bx cho đúng Câu hỏi chuẩn bị 1 Mục đích của quá trình cô đặc là gì? Trả lời: - Làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch. Tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn (kết tinh). Tách dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước) 2 Các bước chuẩn bị tiến hành thí nghiệm? Trả lời: Tìm hiểu hệ thống thiết bị, các van và tác dụng của nó. Tìm hiểu thiết bị đo nhiệt độ, các vị trí đo và cách điều chỉnh công tắc để đo nhiệt độ. - Tìm hiểu các thiết bị đo nồng độ chất khô (Brix kế). - Xác định các đại lượng cần đo. - Chuẩn bị dung dịch đường đem đi cô đặc. - Chuẩn bị bảng số liệu thí nghiệm. 3 Các phương pháp đo nồng độ của dung dịch đường? - Trả lời: Có 2 phương pháp: Phương pháp 1: sử dụng Brix kế theo nguyên tắc khúc xạ quang học (nồng độ góc càng lớn góc khúc xạ càng lớn). - - Phương pháp 2: dùng phù kế (tỷ trọng kế) theo nguyên tắc nồng độ càng cao thì lực đẩy càng mạnh. 4 Mô tả cấu tạo hệ thống thiết bị cô đặc dùng trong thí nghiệm? Page 40 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Trả lời:Hệ thống cô đặc gồm các thiết bị chính sau: - Nồi cô đặc 2 vỏ cánh khuấy. Máy khuấy trộn. Thiết bị ngưng tụ ống xoắn. Bình chứa nước ngưng. Bơm chân không loài vòng nước. Áp kế đo độ chân không. Nhiệt kế điện tử. Hệ thống điện. Xô nhựa chứa dung dịch đầu. 5 Nêu các dạng thiết bị cô đặc khác nhau? Trả lời: - Dạng thiết bị cô đặc một nồi Page 41 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim - Dạng thiết bị cô đặc nhiều nồi Dạng thiết bị cô đặc liên tục Dạng thiết bị cô đặc gián đoạn. Dạng thiết bị cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất khác. 6 Các thông số cần đo trong bài? Trả lời: - Thời gian T Nồng độ dung dịch đường (Bx) Lượng nước ngưng thu được Vngưng (ml) 7 Viết cân bằng nhiệt lượng cho quá trình cô đặc? Trả lời: phương trình cân bằng nhiệt lượng trong quá trình cô đặc: ⇔Gđ.cđ.tđ + D.i = Gc.cc.tc + W.i’ + D.cn.tn + Qcd + Qmt Trong đó − − − − − − − − − − − tđ: nhiệt độ nguyên liệu. [độ]. tc: nhiệt độ sản phẩm, [độ]. tn: nhiệt độ nước ngưng, [độ]. cđ: nhiệt dung riêng nguyên liệu, [J/kg.độ]. cc: nhiệt dung riêng sản phẩm, [J/kg.độ]. cn: nhiệt dung riêng nước ngưng, [J/kg.độ]. i: hàm nhiệt trong hơi đốt, [J/kg]. i’: hàm nhiệt trong hơi thứ, [J/kg]. Qcđ: tổn thất nhiệt cô đặc, [J]; Qcđ=0,01.∆q.Gc. Qmt: tổn thất nhiệt ra môi trường, [J]. D: lượng hơi tiêu tốn BÀI 3: MẠCH LƯU CHẤT I. Cơ sở lí thuyết Page 42 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim ∗ Tĩnh học lưu chất Phương trình thủy tĩnh: (phương trình thủy tĩnh đối với lưu chất không nén được) Khi khối lượng riêng thay đổi không đáng kể ta xem = const, phương trình thủy tĩnh có dạng: P+.g.z = const P: áp suất tại điểm đang xét g: gia tốc trọng trường z: chiều cao của điểm đang xét so với gốc tọa độ ta chọn phát biểu: với một điểm bất kì trong lòng lưu chất đều tuân theo phương trình nếu ta xét một điểm B bất kỳ trong lòng lưu chất thì tại B áp suất, khối lượng riêng quan hệ theo phương trình: pB+ .g.zB = const Và tại điểm A nào đó thì áp suất, khối lượng riêng cũng có phương trình pA + .g.zA = const Lúc đó pB +.g.zB = pA + g.zA pB – pA = .g.(zA – zB) pAB = p.g.hAB pAB: là độ chênh áp giữa vị trí A và B trong làng chất lỏng Từ biểu thứctrên ta thấykhizA =zB (tức A và B cùng nằm trên một mặt phẳng ) thì pAB = 0 hay pB = pA Áp suất thủy tĩnh tại một điểm trong lòng chất lỏng pA – po = .h (kg/m.s2 = N/m2) trong đó : Page 43 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim − − − − = p.g: trọnglượngriêng của chất lỏng (kg/m2.s2) p: là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3) h: chiều cao từ A đến mặt thoáng (m) po: ápsuấttrên mặt thoáng Đổi từ m chất lỏng (dầu, rượu...) so với mH2O Pdầu= . = . Pchấtlỏng= . = . • ∗ Đo áp suất Đo áp suất khí quyển Áp suất khí quyển: áp suất khí quyển tính theo áp suất tuyệt đối Pkq = p.g.h (N/m2) Trong đó : − − − • p: là khối lượng riêng của thủy ngân( kg/m3) g:gia tốc trọng trường(m/s2) h: chiều cao cột thủy ngân(m) Đo áp suất chất khí Trong bình đang có áp suất tuyệt đối là p, áp suất dư trong bình so với khí quyển là: pd = p – po = p.g.hL (N/m2) − − p: khối lượng riêng của chất lỏng đổ vào manometer(kg/m3) hL: chiềucaocột chất lỏng chênh trong manometer(m) Đo áp suất chân không củakhítrongbình ta dùngVacumeter • Đo áp suất chân không Trong bình đang có áp suất tuyệt đối là p, áp suất chân không trong bình là pck = po – p = p.g.hL • Đo áp suất lưu chất đang chuyển động áp kế đo chênh Trường hợp 1 Page 44 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim h = h1 = (zA +) – (zB+ ) (m) Trường hợp 2 h = h1 . (m) − h: là độ chênh áp suất giữa 2 điểm A, B ∗ Chế độ chảy trong ống Chuẩn số Reynolds: Re = = − − − − d: đường kính trong của ống, hoặc đường kính tương đương của kênh.(m) vậntốcdòngchảy (m/s) : độ nhớt động lực học của lưu chất tra bảng với một lưu chất nhất định (N.s/m 2;kg/m.s) : độ nhớt động học (m2/s) Chuẩn số Reynolds đặc trưng cho chế độ chảy trong ống, trong kênh của lưu chất. Nếu Re 2300 thì chế độ chảy là chảy tầng Nếu Re> 2300 chế độ chảy là chảy rối ∗ Trở lực và ma sát Khi chuyển động trong ống lưu chất tiếp xúc với đường ống dẫn sẽ làm cản trở tốc độ chảy của lưu chất. Mặt khác khi đi qua những chỗ quanh co, khớp nối ống, những chỗ thu hẹp, phình to... chất lỏng bị cản trở làm vận tốc chảy chậm lại và áp suất cũng giảm. Các ký hiệu: − − : Hệ số tổn thất dọc đường hoặc hệ số ma sát : Hệ số tổn thất cục bộ Tổn thất dọc đường được tính theo công thức Darcy: Tổn thất dọc đường gây ra bởi chiều dài đường ống Page 45 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim hL = . = (m chất lỏng) Trong đó: − − − − − − − L: chiều dài ống (m) V: vận tốc lưu chất trong ống (m/s) D: đường kính ống tròn R: bán kính ống tròn hoặc bán kính thủy lực Bán kính thủy lực R = (m) S: tiết diện mặt cắt ướt (m2) : Chu vi ướt (là chu vi của mặt cắt ướt tiếp xúc với thành rắn) Với dòng chảy tầng Re Nếu chảy rối: Nếu 3000 và thường được lấy: Sơ đồ thiết bị. 1. Cửa khí vào 5. Buồng sấy 2.Quạt ly tâm 6. Khây sấy 3.Caloriphe 7. Cửa ra khí thải 4. Cân 4. Số liệu và xử lý số liệu. Page 59 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim BẢNG SỐ LIỆU Ở 50OC SST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 t (ph) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 G (g) 915 900 895 880 860 850 850 840 835 825 815 805 795 780 775 770 760 750 745 735 730 Tk(0C) 38 53 54.5 54.5 54.5 54.5 54.5 54.5 54.5 55 54.5 54.5 54.5 55 54.5 54.5 54.5 54.5 54.5 54.5 54.5 Tư(0C) 35.5 43.5 46 47.5 48.5 49.5 49.5 50.5 49.5 50.5 49.5 49.5 49.5 50 49 49 49 49 49 49 49 22 23 24 25 26 105 110 115 120 125 725 720 720 720 720 55 56.5 55 54.5 55 48.5 50 49 49.5 49.5 Tính theo thực nghiệm: - Độ ẩm vật liệu Theo vật liệu khô: Dựa vào công thức trên ta tính được các W như ở bên dưới: Page 60 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Page 61 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim - Tốc độ sấy: Page 62 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Page 63 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Page 64 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim SỐ LIỆU SAU KHI XỬ LÝ 50OC Page 65 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: VõTVăn Sim STT Gi (g) Wi (%) 915 52.5 1 (phút) 0 2 5 900 50 3 10 895 4 15 5 N (%h) Tk tb Tư tb Pb (mmHg) Ph (mmHg) 38 35.5 42 40 30.01 53 43.5 62 58 49.2 9.60 54.5 46 68 66 880 46.67 30.37 54.5 47.5 72 70 20 860 43.33 40.09 54.5 48.5 82 84 6 25 850 41.67 19.92 54.5 49.5 92 86 7 30 850 41.67 0 54.5 49.5 92 86 8 35 840 40 20.05 54.5 50.5 98 99 9 40 835 39.2 9.60 54.5 49.5 92 86 10 45 825 37.5 20.41 55 50.5 98 99 11 50 815 35.83 20.12 54.5 49.5 92 86 12 55 805 34.2 19.57 54.5 49.5 92 86 13 60 795 32.5 20.4 54.5 49.5 92 86 14 65 780 30 30.1 55 50 95 92 15 70 775 29.2 9.6 54.5 49 88 90 16 75 770 28.33 10.44 54.5 49 88 90 17 80 760 26.67 19.9 54.5 49 88 90 18 85 750 25 20.04 54.5 49 88 90 19 90 745 24.2 9.6 54.5 49 88 90 20 95 735 22.5 20.4 54.5 49 88 90 21 100 730 21.2 15.6 54.5 49 88 90 22 105 725 20.83 4.44 55 48.5 82 82 20 9.96 56.5 50 95 94 23 110 720 24 115 720 20 0 55 49 88 84 25 120 720 20 0 54.5 49.5 92 86 26 125 20 0 55 49.5 92 92 85.92 84.3 720 Giá trị trung bình Page 66 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Tính theo lý thuyết. Cường độ ẩm. • - : Cường độ ẩm. B: Áp suất phòng sấy, B = 760 mmHg. am : Hệ số trao đổi ẩm tính theo chênh lệch áp suất ( kg/m2.h.mmHg) →am=0,0229+0,0174*Vk=0,0229+0,0174*1.6=0,051 (kg/m2.h.mmHg) Vk : Tốc độ khí trong phòng sấy ( chọn Vk = 1,6 m/s) Pb(TB) = 85.92 mmHg Ph(TB) = 84.3 mmHg Vậy: Jm = 0,051*(85.92-84.3)* - - = 0.083 (kg/m2.h) Tốc độ sấy đẳng tốc: Nđt =100.Jm.F/G0 (%/h) Với F: diện tích bề mặt sấy Go=600g F = F1+F2=(676.10-4)+(780.10-4) =0,1456 (m2) ⇒ Độ ẩm tới hạn: (%/h) Wth= + Wc W1 : độ ẩm ban đầu trước khi sấy (%) Wc: độ ẩm cân bằng =3% - → Wth = +3=32.17 (%) Thời gian sấy: + Thời gian sấy đẳng tốc: Page 67 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim → T1= (h) + Thời gian sấy giảm tốc: Wcuoi: độ ẩm cuối của quá trình sấy → T2 = Thời gian tổng cộng quá trình sấy gần đúng Vậy: Tsấy= T1 + T2= 10.09 + 7.82=17.91 (h) 5. Vẽ đồ thị. Page 68 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim • Nhận xét: Bài sấy chưa được hoàn chỉnh vì không đủ thời gian nên chưa sấy tới khối lượng không đổi sản phẩm vẫn chưa khô hoàn toàn vì thế làm sai số ảnh hưởng đến kết quả tính toán. Trả lời câu hỏi chuẩn bị: 1. Định nghĩa quá trình sấy đối lưu? Trả lời: Quá trình sấy diễn ra rất phức tạp, đặc trưng cho tính không thuận nghịch và không ổn định. Nó diễn ra đồng thời 4 quá trình: truyền nhiệt cho vật liệu, dẫn ẩm trong lòng vật liệu, chuyển pha và tách ẩm vào môi trường xung quanh. 2. Thế nào là truyền nhiệt và truyền ẩm bằng phương pháp đối lưu? Trả lời: 3. Các giai đoạn sấy? Trả lời: gồm có 3 giai đoạn sấy: 4. Giai đoạn đun nóng vật liệu Giai đoạn sấy đẳng tốc Giai đoạn sấy giảm tốc Có mấy quá trình sấy? Trả lời: - Quá trình sấy có hồi lưu - Quá trình sấy có đốt nóng trung gian 5. Kể tên một vài loại thiết bị sấy? Trả lời: 6. Thiết bị sấy băng tải Thiết bị sấy tầng sôi Thiết bị sấy khí động (hay còn gọi là thiết bị sấy khí thổi) Thiết bị sấy phun loại thùng Thiết bị sấy bức xạ - đối lưu Thiết bị sấy thăng hoa Thiết bị sấy điện cao tần Các thông số cần đo trong quá trình thí nghiệm? Trả lời:Khối lượng, nhiệt độ bầu khô, bầu ướt và thời gian. Page 69 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim 7. Nội dung thí nghiệm? Trả lời:Tiến hành sấy bánh tráng ở 2 chế độ của Caloriphe: 4 00C và 500C. Đặt vật liệu vào buồng sấy, ghi nhận khối lượng vật liệu sau khi làm ẩm ( G1). Sau đó cứ 3 phút ghi nhận giá trị cân và giá trị nhiệt độ bầu khô, bầu ướt. Tiếp tục đến khi giá trị khối lượng vật liệu không đổi trong vòng 15 phút thì dừng chế độ thí nghiệm này và chuyển sang chế độ thí nghiệm khác. 8. Cách thức tiến hành thí nghiệm? Trả lời: Bước 1: Chuẩn bị thí nghiệm: Xác định khối lượng vật liệu khô ban đầu (G0) của vật liệu: + Mở cửa buồng sấy ra, đặt cẩn thận + Đọc giá trị cân (G0) - Làm ẩm vật liệu: - Sau khi cân xong, lấy vật liệu ra và nhúng nhẹ nhàng (tránh rách vật liệu) vào chậu nước. Chờ khoảng 30 giây cho nước thấm đều, lấy vật liệu lên và để ráo nước sau đó xếp vào giá. - Chuẩn bị đồng hồ đeo tay để đo thời gian. Kiểm tra hệ thống: + Lắp lại cửa buồng sấy. + Mở hết các van của hai cửa khí vào ra + Châm đầy nước vào bầu ướt (phía sau hệ thống) Bước 2:Khởi động hệ thống: - Khởi động quạt: bật công tắc của quạt để hút dòng tác nhân vào và thổi qua caloriphe gia nhiệt dòng tác nhân. - Khởi động caloriphe, bật công tắc Caloriphe. - Cài đặt nhiệt độ cho Caloriphe ở nhiệt độ thí nghiệm. Bước 3: Tiến hành thí nghiệm Chờ hệ thống hoạt động ổn định khi: nhiệt độ của Caloriphe đạt giá trị mong muốn ( ). Tiến hành sấy vật liệu ở nhiệt độ khảo sát. Đo số liệu trong chế độ thí nghiệm. - Các số liệu cần đo: Khối lượng, nhiệt độ bầu khô, bầu ướt và thời gian. Cách đọc: + Khối lượng (gam) khi đặt giá đỡ vật liệu sấy, đọc số hiển thị trên cân. + Nhiệt độ (0C) : Nhấn nút tương ứng các vị trí cần đo và đọc số trên đồng hồ hiện số. Page 70 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Chuyển chế độ thí nghiệm: + Mở cửa buồng sấy, lấy vật liệu ra làm ẩm tiếp (lặp lại như ban đầu). + Cài nhiệt độ Caloriphe ở giá trị tiếp theo cho chế độ sấy mới. + Chờ hệ thống hoạt động ổn định. + Lặp lại trình tự như chế độ đầu. - Bước 4: Kết thúc thí nghiệm - Tắt công tắt của điện trở Caloriphe. Sau khi tắt Caloriphe được 5 phút, tắt quạt cho Caloriphe nguội. 9. Mục đích thí nghiệm? Trả lời: - Vận hành được hệ thống thiết bị sấy. Tính toán được các thông số sấy: tốc độ sấy đẳng tốc, độ ẩm tới hạn, độ ẩm cân bằng, thời gian sấy đẳng tốc và giảm tốc. - Xây dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy dựa trên số liệu thực nghiệm. 10. Đường cong sấy? Trả lời: - Là đường cong biểu diễn sự thay đổi của độ ẩm vật liệu (U) theo thời gian sấy - Phụ thuộc vào nhiều yếu tố như liên kết giữ ẩm và vật liệu, hình dáng kích thước; cấu trúc vật liệu, phương pháp và chế độ sấy. - Đường cong sấy là hàm của quá trình sấy 11. Đường cong tốc độ sấy? Trả lời: - Là đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ sấy và độ ẩm ( hàm ẩm) của vật liệu sấy - Đường cong tốc độ sấy là đạo hàm của đường cong sấy. 12. Phương trình cơ bản của động học quá trình sấy? Trả lời: 13. Sấy là gì? Sự khác nhau giữa sấy và cô đặc? Trả lời: - Sấy đối lưu là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng cách cấp nhiệt cho ẩm bay hơi. Trong đó, cả hai quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm đều được thực hiện bằng phương pháp đối lưu. - Sự khác nhau giữa sấy và cô đặc: Page 71 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Sấy là quá trình bốc hơi nước làm cho vật liệu khô đi không còn ẩm trong đó + Cô đặc cũng là quá trình làm bốc hơi nước nhưng nó làm giàu các cấu tử hòa tan trong đó và + làm cho vật liệu cô đặc lại. 14. Thời gian sấy của vật liệu? Trả lời: Ta phải phụ thuộc vào chế độ sấy của vật liệu mà ta mới biết được thời gian sấy của vật liệu. Vì vậy đối với mỗi vật liệu có các chế độ sấy khác nhau thì thời gian sấy cũng khác nhau. BÀI 5: CỘT CHÊM 1. Mục đích thí nghiệm Khảo sát đặc tính động lực học lưu chất và khả năng hoạt động của cột chêm bằng cách xác định: Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí và lỏng lên tổn thất áp suất (độ giảm áp) khi đi qua cột. Sự biến đổi của hệ số ma sát cột khô f cktheo chuẩn số Reynolds (Re) của dòng khí và suy ra các hệ thức thực nghiệm. Sự biến đổi của thừa số σ liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột khô và qua cột ướt theo vận tốc dòng lỏng. Giản đồ giới hạn khả năng hoạt động của cột (giản đồ ngập lụt và gia trọng). 2. Cơ sở lý thuyết 2.1 Khái niệm quá trình hấp thụ (hấp thu) Quá trình hấp thu là quá trình cho một hỗn hợp khí tiếp xúc với dung môi lỏng nhằm mục đích hòa tan chọn lọc một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng, pha khí sau hấp thu gọi là khí sạch, pha lỏng sau hấp thu gọi là dung dịch sau hấp thu. Vậy quá trình hấp thu là quá trình truyền vận cấu tử vật chất từ pha khí vào pha lỏng. nếu quá trình xảy ra theo chiều ngược lại, nghĩa là truyền vận cấu tử từ pha lỏng sang pha khí, ta có quá trình nhả hấp thu. Mục đích của quá trình hấp thu là hòa tan chọn lọc một số cấu tử. 2.2 Ứng dụng của quá trình hấp thu − Công nghệ thực phẩm − Công nghệ hóa học − Công nghệ sinh hoc − Kỹ thuật môi trường − Ngành công nghiệp dầu khí 2.3 Phương pháp lựa chọn dung môi hấp thu Page 72 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Khi lựa chọn dung môi cho quá trình hấp thu người ta dựa vào các tính chất sau: Độ hòa tan chọn lọc Đây là những tính chất chủ yếu của dung môi, là tính chất chỉ hòa tan tốt cấu tử cần tách ra khỏi hỗn hợp mà không hòa tan các cấu tử còn lại hoặc hòa tan không đáng kể. Tổng quát, dung môi và dung chất có bản chất tương tự nhau thì cho độ hòa tan tốt. Dung môi và dung chất tạo nên phản ứng hóa học thì làm tăng độ bền hòa tan lên rất nhiều, nhưng nếu dung môi được thu hồi để dùng lại thì phản ứng phải có tính hoàn nguyên. Độ bay hơi tương đối Dung môi nên có áp suất hơi thấp vì pha khí sau quá trình hấp thu sẽ bão hòa hơi dung môi do đó dung môi bị mất. Tính ăn mòn của dung môi Dung môi nên có tính ăn mòn thấp để vật liệu chế tạo thiết bị dễ tìm và rẻ tiền. Chi phí Dung môi dễ tìm và rẻ tiền để sự thất thoát không tốn kém nhiều. Độ nhớt Dung môi có độ nhớt thấp sẽ tăng tốc độ hấp thu, cải thiện điều kiện ngập lụt trong tháp hấp thu, độ giảm áp thấp và truyền nhiệt tốt. Các tính chất khác Dung môi nên có nhiệt dung riêng thấp để ít tốn nhiệt khi hoàn nguyên dung môi, nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh hiện tượng đóng rắn làm tắc thiết bị, không tạo kết tủa, không độc. Trong thực tế, không một dung môi nào trong một lúc đáp ứng được tất cả các tính chất trên, do đó khi chọn phải dựa vào những điều kiện cụ thể khi thực hiện quá trình hấp thu. Dù sao tính chất thứ nhất cũng không thể thiếu được trong bất cứ trường hợp nào. 2.4 Phương pháp hấp thu: Có 2 phương pháp hấp thu nghịch dòng và hấp thu xuôi dòng ở đây ta chỉ xét hấp thu nghịch dòng. Hấp thu nghịch dòng Pha khí là hỗn hợp khí G vào chứa nhiều chất: Trong đó − Các chất trơ Gtr (không hấp thu vào lỏng) − Chất hấp thu vào lỏng gọi là cấu tử A Pha lỏng: − Lượng dung môi gọi là L − Cấu tử A đã có sẵn trong pha lỏng L − Lượng dung môi trơ là Ltr là lượng dung môi tổng cộng L trừ đi cấu tử A. 2.5 Một số định nghĩa Phần mol của cẩu tử i là số mol (suất lượng mol) của cẩu tử i chia cho tổng số mol hỗn hợp (suất lượng mol hỗn hợp). Page 73 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Phần khối lượng của cấu tử i là khối lượng (suất lượng khối lượng) của cấu tử i chia cho tổng khối lượng hỗn hợp (suất lượng khối lượng hỗn hợp) Tỉ số mol của cấu tử i là số mol (suất lượng mol) của cấu tử i chia cho tổng số mol (suất lượng mol) trừ đi số mol (suất lượng mol) của i. Các đơn vị: − Suất lượng mol: mol/h; (kmol/h.m2); (mol/h.m2). − Suất lượng khối lượng: kg/h; (kg/h.m2); (g/h.m2). − Phần mol và tỉ số mol không có đơn vị. 2.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thu Nhiệt độ và áp suất là những yếu tố có ảnh hưởng quan trọng lên quá trình hấp thu. Chúng ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực của quá trình. Nếu nhiệt độ tăng thì giá trị hệ số của định luật Henry tăng, đường cân bằng sẽ chuyển dịch về trục tung, động lực truyền khối sẽ giảm. Nếu tăng nhiệt độ lên một giới hạn nào đó thì không những động lực truyền khố giảm mà ngay cả quá trình cũng không thực hiện được. Mặt khác khi nhiệt độ tăng cao cũng ảnh hưởng tốt vì độ nhớt của dung môi giảm (có lợi đối với trường hợp trở lực khếch tán chủ yếu nằm trong pha lỏng). Thiết bị hấp thu Trong công nghiệp, thực tế sản xuất người ta có thể dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình hấp thu. Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản của thiết bị vẫn là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn để tăng hiệu suất của quá trình hấp thu. Bài thí nghiệm này ta xét loại tháp hấp thu là tháp đệm (cột chiêm). 3. Sơ đồ thiết bị I-Máy thổi khí 1,2-Van điều chỉnh lưu lượng dòng khí II-Lưu lượng kế dòng khí 3-Van xả nước đọng trong ống khí III-Cột chêm 4,6-Van điều chỉnh lưu lượng dòng lỏng IV-Bồn chứa 5-Van tạo cột lỏng ngăn khí V-Bơm 7-Van điều chỉnh mức nước trong cột chêm VI- Lưu lượng kế dòng lỏng 8-Van xả nhanh khi lụt cột chêm D-lớp đệm vòng sứ Raschig 9-Van xả đáy bồn chứa Page 74 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim 4. Kết quả thí nghiệm • Ta đổi V(fit3/phút) 1fit3/phút=2,83. m3/phút= (m3/s) Tương tự: 2fit3/phút = (m3/s)≈9,43. • Tính G Cột khô đang vận hành ở nhiệt độ 50oC Ở đó ρkk=1,1(kg/m3), µ=1,96.10-5(kg/m.s) Trong đó: S=π.d2.ε/4= π.0,12.0,585/4=0,00459225 Page 75 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim • Tính ∆PCK: ∆PCK=(39,3 - 38,8).102.10 = 400 (N/m2) • Tính Re: • Tính fCK fCK Làm tương tự ta có bảng xử lý số liệu cột khô: Cột khô Log ∆PCK (N/m2 ∆PCK/ (∆PCK/Z i V(m3/s) G ) Z ) 1 0,00094 3 0,22 6 400 555,6 2,7 2 0,00188 7 0,45 2 900 1250 3,1 3 0,00283 0,67 8 1400 1944,4 3,3 0,00377 4 3 0,00471 5 7 6 0,00566 0,90 4 1,13 0 1,35 6 1200 1666,7 3,2 1100 1257,8 3,1 2000 2777,8 3,4 log G 0,64 6 0,34 5 0,16 9 0,04 4 0,05 3 0,13 2 logfC logR e Re fCK 1870,6 0,84 2 0,075 3,272 3741,3 0,73 3 0,135 3,573 5611,9 0,67 6 -0,17 3,749 0,63 8 0,61 0 0,58 9 0,195 3,874 0,215 3,971 0,230 4,05 7482,6 9353,2 11223, 8 K Tính toán cho bảng cột ướt Từ bảng số liệu của cột ướt ta tính cho hàng đầu tiên trong bảng Tính G • Page 76 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Cột ướt đang vận hành ở nhiệt độ 30oC Ở đó ρCƯ =1,177(kg/m3); µ=1,86.10-5 (kg/m.s) (kg/m2.s) ∆PCƯ =(20 - 38).10 = 2 (cmH2O) = 2000 N/m2 ∆PCƯ/Z= = 2777,8 (N/m2.m) Tính δ: Tính fCƯ= δ.fCK = 5.0,842 = 4,21 Làm tương tự ta có bảng xử lý số liệu của các cột ướt như sau: L=4 i 3 V(m /s) Log (∆Pcư/Z) 1 0,000943 0,242 2000 2777,8 3,444 2 0,001887 0,484 2400 3333,3 3,53 3 0,725 3000 4166,7 3,620 4 0,003773 0,967 4000 5555,6 3,745 log G 0,646 0,345 0,169 0,044 5 0,004717 1,209 5300 7361,1 3,883 0,053 10545,1 6 7000 9722,2 3,988 0,132 12655,9 0,00283 0,00566 G ∆PCư (N/m2) ∆PCư/Z 1,451 Re 2110,8 4221,5 6323,6 8434,3 fCư 4,2 1 2,0 6 1,4 5 2,1 2 2,9 4 2,0 6 logfCư logRe 0,624 3,272 0,314 3,573 0,161 3,749 0,326 3,874 0,468 3,971 0,314 4,05 Page 77 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim L=5 ∆PCư (N/m2 ) Log (∆Pcư/Z ) log logR ∆PCư/Z i V(m /s) G G Re fCư logfCư e 0,00094 0,24 0,64 3,36 1 3 2 2000 2777,8 3,444 6 2110,8 8 0,527 3,272 0,00188 0,48 0,34 2 7 4 2400 3333,3 3,53 5 4221,5 1,96 0,292 3,573 0,72 0,16 3 0,00283 5 3000 4166,7 3,620 9 6323,6 1,45 0,161 3,749 0,00377 0,96 0,04 4 3 7 5000 6944,4 3,842 4 8434,3 2,66 0,425 3,874 0,00471 1,20 L=6 0,05 10545, 5 7 9 6200 8611,1 3,935 3 1 3,44 0,537 3,971 3 L=7 0,13 L=8 i V(m /s) 1,45G Log log G12655, Re fCư logfC logR ∆PCư 11111, ∆PCư/Z 2 33 e (∆Pcư/Z 2log G 9Re (N/m ư CC 4,05 V(m V(m /s) /s) 1G G 8000 Log fCư 0,372 logf logf logR logR ∆P ∆P ∆P Cư Cư 6 i 0,00566 1 Cư/Z 4,046 2,36 22 ) ) ee (∆P)cư/Z (N/m (N/m ưư ) 0,00094 0,24 ) 5,68 3 2 4700 2700 6527,8 3750 3,815 3,574 2110,8 9,894 4 0,755 11 0,00094 0,24 4700 3,815 1870,6 5,68 0,995 3,272 3,272 L=9 -0,646 2110,8 30,00188 33 20,48 2 4 i V(m /s) G Log log G Re 2,69 fCư logfCư logRe ∆PCư ∆PCư/Z 7 4 6000 3300 4583,3 3,661 -0,345 4221,5 0 0,430 3,573 22 0,00188 0,48 6000 2 8333,3 3,921 3,921 4221,5 3741,3 4,889 2,69 0,689 3,573 (∆Pcư/Z) (N/m ) 7 7 40,72 4 02,41 1 33 0,00094 0,242 8000 11111,1 4,046 -0,646 1870,6 0,00283 0,72 5 8000 5000 11111, 6944,4 4,046 3,842 6323,6 3,86 3 16,84 0,383 3,749 0,00283 8000 4,046 -0,169 6323,6 5611,9 2,41 0,5871,23 3,7493,272 3 5 1 32,27 0,00377 50,96 2 44 0,00188 0,484 10000 13888,9 4,143 -0,345 3741,3 3 7 10000 6000 13888, 8333,3 4,143 3,921 8434,3 5,315 8 8,136 0,358 3,874 0,00377 0,96 10000 4,143 -0,044 8434,3 7482,6 2,87 0,7260,91 3,8743,573 73 30,00471 71,20 7 911388, 10545, 84,54 7 9 14000 8200 19444, 9 4,056 1 5 0658 3,971 55 0,00471 1,20 14000 4,289 4,289 0,053 0,053 10545, 9353,2 7,759 4,54 0,658 0,89 3,971 Page 78 7 7 91,45 9 413888, 112655, 52,94 0,00566 1,45 1 17000 10000 23611, 9 4,143 9 5 0,469 4,05 6 0,00566 17000 4,373 4,373 0,132 0,132 12655, 11223, 5,007 2,94 0,7 4,05 4,05 11 1 9 8 5 3 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim 3 0,725 16000 22222,2 3,347 -0,169 5611,9 0,967 20000 27777,8 4,444 -0,044 7482,6 5 0,00283 0,00377 3 0,00471 7 1,209 16000 3,347 0,053 6 0,00566 1,451 21000 22222,2 29166,6 7 4,465 0,132 9353,2 11223, 8 4 7,727 10,63 5 0,89 3,749 1,03 3,874 8,876 0,95 3,971 6,185 0,79 4,05 Tính toán cho bảng cột ngập lụt Ta tính cho dòng đầu tiên của cột ngập lụt Tính chuẩn số thứ nhất π1 π1=[(fCK.a.V12.ρKK)/(ε3.2g.ρL)].µtd0,2 Ta có: ρKK=1,1 (kg/m3) ε=0,585 g= 9,81 (m/s2) ρlỏng=995,7(kg/m3) fCK= 0,842 a=24,656 (m2/m3) • (m/s) (vận tốc dòng khí qua cột) (m2) Vậy Logπ1= -4,23 Tính chuẩn số thứ 2 π2 L=9 (lít/phút) = 9.10-3/60=0,00015 (m3/s) V= 0,000943 (m3/s) ρKƯ =1,177 (kg/m3) ρlỏng= 995,7 (kg/m3) Page 79 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Log π2= -2,26 Làm tương tự cho các dòng tiếp theo ta có bảng xử lý số liệu của cột ngập lụt như sau: V(m3/s) π1 π2 logπ1 logπ2 0,000943 0,0000589 0,00547 -4,23 -2,26 0,001887 0,0000304 0,00273 -4,12 -2,56 0,00283 0,0000642 0,00182 -4,19 -2,74 0,003773 0,000108 0,00137 -3,97 -2,86 0,004717 0,000161 0,00109 -3,79 -2,96 0,00566 0,000224 0,00091 -3,65 -3,04 Page 80 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim 4.3 Vẽ biểu đồ Cột khô Đồ thị Log (∆PCK/Z) – log G Cột ướt Đồ thị Log (∆PCK/Z) – logG Cột ngập lụt Đồ thị Logπ1- logπ2 Nhận xét: quá trình thí nghiệm giúp sinh viên biết cách vận hành máy, thông qua xử lý số liệu sẽ giúp sinh viên nhận biết được sai số lý thuyết và thực tế. CÂU HỎI CHUẨN BỊ 1.Các yếu tố ảnh hưởng đến độ giảm áp của cột khô? Trả lời: - Chiều cao phần chứa vật chêm. - Đường kính tương đương của vật chêm. - Thể tích tự do của vật chêm. - Diện tích bề mặt riêng của vật chêm. - Khối lượng riêng của pha khí. - Suất lượng biểu kiến của pha khí qua một đơn vị tiết diện tháp. 2. Tháp chêm được ứng dụng trong lĩnh vực nào? Trả lời:Tháp chêm được ứng dụng nhiều trong ngành công nghiệp thực phẩm. 3. Có mấy loại vật chêm? Chúng được chế tạo từ vật liệu gì? Trả lời:Vật chêm sử dụng gồm có nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất là một số loại vật chêm sau: - Vòng Raschig: hình trụ rỗng bằng sứ hoặc kim loại, nhựa, có đường kính bằng chiều cao(kích thước từ 10- 100mm). Page 81 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Vật chêm hình yên ngựa: có kích thước từ 10- 75mm. Vật chêm vòng xoắn: đường kính dây từ 0,3- 1mm, đường kính vòng xoắn từ 3- 8mm và chiều dài nhỏ hơn 25mm. 4. Kích thước vật chêm cần phải thỏa mãn điều kiện gì? Trả lời:Vật chêm phải có diện tích bề mặt riêng lớn,ngoài ra độ rỗng cũng phải lớn. 5. Lựa chọn vật chêm cần phải thỏa mãn những điều kiện gì? Trả lời:Phải có diện tích bề mặt riêng lớn,có độ rỗng lớn để giảm trở lực chop pha khí và phải bền. 6. Ưu và nhược điểm của vật chêm bằng sứ? Trả lời: - Ưu điểm:giá thành rẻ,không bị oxy hóa,không bị ăn mòn. -Nhược điểm:dễ vỡ. 7. Trong thí nghiệm các số liệu đo được cũng như lưu lượng của các dòng có ổn định không? Tại sao? Trả lời:Trong thí nghiệm các số liệu đo được cũng như lưu lượng của các dòng không ổn định. Tại vì 8. Trong thí nghiệm có mấy điểm cần lưu ý? Điểm nào quan trọng nhất? Trả lời:Trong thí nghiệm có 2 điểm cần lưu ý. Điểm quan trọng nhất là: Trong quá trình đo độ giảm áp của cột ướt,cần canh giữ mức lỏng ở đáy cột luôn ổn định ở ¾ chiều cao đáy bằng cách chỉnh van7. Nếu cần, tăng cường van 8 để nước trong cột thoát về bình chứa. 9. Tại sao phải duy trì mực lỏng ở ¾ đáy cột? Trả lời: Vì nếu ta cho đầy thì khí không tiếp xúc được với nước(không đi vào cột hấp thu). Nếu cho ít nước thì khí ít tiếp xúc vói dung môi,và có nhiều bọt khí thí số liệu đo dược sẽ bị sai. 10. Có mấy loại quạt?kể tên?quạt trong bài này là loại gì? Cao áp hay thường? Trả lời: có 2 loại quạt là quạt cao áp và quạt thường Quạt trong bài này là quạt cao áp 11. Tại sao phải nghiên cứu đồ thị của tháp chêm từ điểm gia trọng đến điểm lụt? Trả lời: Vì để xác định giới hạn khả năng hoạt động của cột là từ điểm gia trong đến điểm ngập lụt 12. Công thức tính vận tốc làm việc tối ưu trong tháp chêm? 13. Công thức tính hệ số trở lực do ma sát trong tháp chêm ở các chế độ chảy (Re) khác nhau? Trả lời: - Cột khô: Cột ướt: với ∆Pcư = σ∆Pck n = 1,8 – 2,0 với: σ = 10ΩL hay log σ = ΩL Page 82 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Giá trị σ tùy thuộc vào loại, kích thước, cách thức sắp xếp vật chêm (xếp ngẫu nhiên hay theo thứ tự) và độ lớn của lưu lượng lỏng L. Thí dụ với vật chêm là vòng sứ Raschig 12,7 mm, chêm ngẫu nhiên, độ xốp ε = 0,586; giá trị của L từ 0,39 đến 11,7 kg/m 2s và cột hoạt động trong vùng dưới điểm gia trọng. Ω = 0,084 14. Công thức tổng quát tính tổn thất áp suất trong tháp chêm? Giải thích các thừa số trong công thức và mức độ ảnh hưởng của chúng đến độ giảm áp. Trả lời:Tổn thất Trở lực tháp khô: Trong đó: h - chiều cao lớp đệm, m wo- vận tốc pha khí a - bề mặt riêng, m2/m3 ε - độ xốp, m3/m3 ρk – khối lượng riêng của không khí, kg/m3 fck - hệ số ma sat của dòng chảy qua lớp hạt, phụ thuộc vào Rek Khi Rek40: 15. Tháp chêm làm việc ở chế độ nào là tốt nhất? Thực tế có thể vận hành ở chế độ này hay không? Tại sao? Trả lời: Tháp chêm làm việc ở chế độ chân không là tốt nhất.nhưng không thể vận hành cho thực tế.Vì thực tế sẽ mau làm dòng lỏng đạt đến điểm lụt. 16. Thế nào là điểm gi trọng? - Chopha khí tiếp xúc pha lỏng phải qua vật liệu điệm tăng độ tiếp xúc. Khi vận tốc khí lỏng sẽ phân tán trong khí, tăng tốc độ khí lỏng bị tụ lại, - Điểm gia trọng : điểm đó áp suất pha khí đủ lớn để xuyên qua pha lỏng liên tục. - Ưu điểm: ít tốn dung môi. Page 83 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Bài 6: Thí nghiệm lọc khung bản I Cơ sở lí thuyết ∗ Lọc chất lỏng Là quá trình được thực hiện để phân riêng các hỗn hợp nhờ 1 vật ngăn xốp, vật xốp có khả năng cho một pha đi qua còn giữ pha kia lại nên còn gọi là vách ngăn lọc. ∗ Nguyên tắc lọc Tạo ra trên bề mặt huyền phù một áp suất P1 dưới P1 pha lỏng xuyên qua các lỗ mao dẫn, pha rắn bị giữ lại, chênh lệch áp suất 2 bên vách ngăn lọc gọi là động lực của quá trình lọc. P= P1- P2 (áp suất tạo ra bằng máy bơm, máy nén, cột nước,… Lượng lưới lọc thu được: W= (m/s) {tốc độ lọc} − − − V: thể tích nước lọc thu được S: diện tích bề mặt lọc : thời gian lấy mẫu (kể từ lúc bắt đầu chảy) Tính lượng nước lọc, lượng bã ẩm lượng pha rắn, lượng pha lỏng. +G − − − − : khối lượng và thể tích hỗn hợp huyền phù đem đi lọc : thể tích và khối lượng chất rắn khô : thể tích và khối lượng nước lọc nguyên chất V,G: thể tích và khối lượng nước lọc chưa nguyên chất Page 84 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Độ ẩm của bã: Wa= (%kg ẩm/kg vật liệu ướt) Áp suất lọc Khi lọc với áp suất không đổi Trong đó: − − − − − − − : độ nhớt( kg/m.s) V: thể tích nước lọc( m3) S: diện tích bề mặt lọc( m2) : thời gian lọc được ấn định trước r0: trở lực riêng( 1/m2) trở lực lớp bã tạo thành( 1 kg bã khô/1 m2 bề mặt) X0= Va/V0: tỉ số giữa lượng bã ẩm( m3/lượng nướ lọc( m3) Rv: trở lực vách ngăn( 1/m) Lọc với tốc độ không đổi: W=const( kém hiệu quả) (N/m2) ∗ Vật ngăn lọc Phải có tính chất phù hợp với huyền phù, gồm các loại vải được đan bằng các loại sau: sợi bông len polypropylene, clorinaxeton, pvc, sợi thủy tinh…chịu axit ∗ Chất trợ lọc Diatomit trắng tạo từ 94% SiO2, bề mặt riêng 20m2/g, bền axit, được xử dụng rộng rãi, tạo độ xốp 93%, perolit: tạo từ các sản phẩm núi lửa các chất trợ lọc không được tan trong dung dịch lọc. ∗ Máy lọc khung bản Cấu tạo Máy lọc khung bản gồm có 1 dãy các khung và bản cùng kích thước xếp liền nhau, giữa khung và bản có vải lọc. Huyền phù được đưa vào rãnh dưới tác dụng của áp suất rồi vào khoảng trống của khung. Chất lỏng qua vải lọc sang các rãnh của bản rồi theo van ra ngoài. Các hạt rắn được giữ lại tạo thành bã chứa trong khung. Page 85 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Quá trình lọc- trở lực của vải lọc và bã lọc Lọc ép đưa tới kết quả là một lớp hạt rắn tạo thành trên vải lọc gồm các mao quản của bã lọc và vật ngăn là chuyển động dòng cần phải có áp suất để khắc phục trở lực của vật ngăn và trở lực của bã lọc. Trở lực của ống dẫn không đáng kể. Trở lực của bã lọc Phương trình kozeny- carman đo hiệu áp suất qua từng hạt rắn có dòng chảy dùng để tính hiệu áp suất qua lọc: (1) Trong đó: − − − − − − − − − − : độ nhớt của nước lọc X0= ; : thể tích bã lọc; V: thể tích nước lọc S: diện tích bề mặt lọc : thời gian lọc r0: trở lực của bã lọc Trở lực của bã lọc thay đổi tùy theo tính chất của bã lọc r0= r’0.Ps’ (2) r’0: hằng số s: chỉ số chịu nén, s=0 cho bã lọc không nén được, thông thường s có giá trị từ 0,1-1,0 trở lực của vải lọc (3) − : trở lực của vật ngăn lọc Phương trình lọc tổng quát Phương trình (1) và (3) đưa về phương trình vi phân của quá trình lọc (4) Tích phân với =const, thu được: . (5) Đặt q= : lượng nước lọc riêng (m3/m2) Phương trình (5) được viết gọn lại như sau: q2 + 2.C.q= K. Page 86 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Trong đó: C= II Tính toán: Bảng số liệu lọc cấp 1: = 0,1 15 3,9 2= 0,2 15 4,9 3= 0,3 15 5,5 1 (s) V(lit) 5 1,3 10 2,6 (s) V(lit) 5 1,6 10 3,2 (s) V(lit) 5 1,7 10 3,6 20 5,2 25 6,6 20 6,5 25 8,1 20 7,4 25 9,3 Bảng xử lí số liệu: = 0,1 6,6. 10-3 13,64. 10-3 5 1 -3 -3 V Q 1,3.10 2,69. 10-3 5 2,68. 10-3 18587 2,6.10 5,37. 10-3 5 2,69. 10-3 18587 V Q 1,6. 10-3 3,31. 10-3 5 3,31. 10-3 15105 3,2. 10-3 6,61. 10-3 5 3,51. 10-3 14245 V Q 1,7. 10-3 3,51. 10-3 5 3,93. 10-3 12722 3,6. 10-3 7,44. 10-3 5 3,93. 10-3 12722 0,1 C 1,34.10-3 -3 3,9.10 8,06. 10-3 5 2,69. 10-3 18587 2= 0,2 4,9. 10-3 10,12. 10-3 5 3,31. 10-3 15105 = 0,3 3 5,5. 10-3 11,36.10-3 5 3,93. 10-3 12722 -3 5,2. 10 10,74. 10-3 5 2,89. 10-3 17301 6,5. 10-3 13,43. 10-3 5 3,31. 10-3 15105 8,1. 10-3 16,74. 10-3 7,4. 10-3 15,29. 10-3 5 3,93. 10-3 12722 9,3. 10-3 19,21. 10-3 5 K 2,88.10-6 Page 87 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim 0,2 0,3 III Đồ thị = 0,1 1 2 = 0,2 = 0,3 3 Page 88 [...]... tNV, tNR: nhiệt độ vào, ra của dòng nóng (oC) tLV, tLR: nhiệt độ vào, ra của dòng lạnh (oC) − − − Trình tự thí nghiệm? 3 Trả lời: − Chuẩn bị thí nghiệm − Khảo sát quá trình truyền nhiệt trong ống chảy vuông góc − Khảo sát quá trình truyền nhiệt trong ống chảy dọc − Ngưng- tắt máy 4 .Thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống có phải là thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ ống không? Trả lời: Thiết bị truyền nhiệt ống... khả năng truyền nhiệt cũng nằm trong khoảng giữa của hai chế độ 14 Phân biệt quá trình truyền nhiệt ổn định và không ổn định Trả lời: Truyền nhiệt ổn định Truyền nhiệt ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian Truyền nhiệt không ổn định Truyền nhiệt không ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt độ thay đổi cả theo không gian và thời... bị Nhược điểm: − Hiệu suất truyền nhiệt thấp − Diện tích tiếp xúc giữa lưu chất và ống nhỏ Hãy cho biết các phương thức truyền nhiệt cơ bản? Trong bài thí nghiệm này có những phương thức truyền nhiệt nào? Trả lời: Các phương thức truyền nhiệt cơ bản là: − − − − − 9 Truyền nhiệt trực tiếp Truyền nhiệt gián tiếp Truyền nhiệt ổn định Truyền nhiệt không ổn định Trong bài thí nghiệm này co phương thức truyền. .. đích thí nghiệm - Làm quen với thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống, các dụng cụ đo nhiệt độ và lưu lượng lưu chất - Xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt giữa hai dòng lạnh và nóng qua vách kim loại ở các chế dộ chảy khác nhau Page 23 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim - Thiết lập cân bằng nhiệt lượng Các thông số cần đo? 2 Trả lời: G’L, G’N: lưu lượng thể tích của dòng lạnh và dòng... là thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ ống 5.Chỉ rõ đường đi của dòng nóng trong hệ thống thiết bị thí nghiệm Page 24 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim 6 Chỉ rõ đường đi của dòng lạnh trong hệ thống thiết bị thí nghiệm Page 25 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim 7 Ưu nhược điểm của thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống? Trả lời: o o 8 Ưu điểm: sự trao đổi nhiệt được phân bố đều trên khắp chiều dài của thiết. .. ngăn và các dòng lưu chất được tính từ chuẩn số Nusselt (Nu) 12 Viết phương trình truyền nhiệt? Giải thích các thông số và cho biết đơn vị đo của chúng? Trả lời: Phương trình truyền nhiệt dQ=k(t1 – t2)dF=k∆tdF k: hệ số truyền nhiệt (W/m2.oC) t1 – t2: độ chênh nhiệt độ giữa chất lỏng nóng và lạnh trên bề mặt phân bố dF ⇒Q= Với =∆tTB=∆tlog 13 Ảnh hưởng của chế độ chảy đến quá trình truyền nhiệt? Giải thích... truyền nhiệt gián tiếp và ổn định Vẽ và giải thích sơ đồ cơ chế truyền nhiệt giữa 2 lưu chất qua vách ngăn ở thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống Trả lời: Dòng lạnh Dòng nóng Dòng lạnh Page 26 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Nhiệt truyền từ dòng lưu chất lạnh qua vách bằng dòng bức xạ hoặc đối lưu nhiệt trong vách ống và làm lạnh dòng nóng bên trong 10 Viết phương trình cân bằng nhiệt lượng Giải thích... 15 Nêu các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số cấp nhiệt α? Trả lời: Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số cấp nhiệt là: - Chế độ chảy của dòng lưu chất Môi chất Nhiệt độ vách Vật liệu làm ống Kích thước ống 16 So sánh hiệu quả quá trình truyền nhiệt xuôi chiều và ngược chiều? Trả lời: Quá trình truyền nhiệt ngược chiều có hiệu quả hơn tại vì sự trao đổi nhiệt được phân bố đều trên khắp chiều dài của thiết bị và làm... (oC) 11 Ý nghĩa vật lý của hệ số truyền nhiệt dài KL? Công thức tính? Giải thích các thông số và cho biết đơn vị đo của chúng? Trả lời: Ý nghĩa vật lý của hệ số truyền nhiệt dài là: cho ta biết được khả năng truyền nhiệt của lưu chất Hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm: Trong đó: − − − − Q: nhiệt lượng trao đổi (W hoặc j/s) KL: hệ số truyền nhiệt dài (W/m.độ) ∆t log: hiệu nhiệt độ logarit của hai dòng... khắp chiều dài của thiết bị và làm cho sản phẩm có chất lượng truyền nhiệt đồng đều Còn truyền nhiệt xuôi chiều thì nhiệt truyền ở đầu vào là rất cao còn đầu ra là rất thấp nên hiệu quả kém hơn Page 29 Thí nghiệm các QT&TB GVHD: Võ Văn Sim BÀI 2: CÔ ĐẶC 2.1 Mục tiêu thí nghiệm: − Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc và ưu nhược điểm thiết bị cô đặc gián − − đoạn 1 nồi, hoạt động trong điều kiện chân ... mặt đẳng nhiệt đến mặt đẳng nhiệt 1.2.2 Các trình truyền nhiệt: Trong thực tế trình truyền nhiệt diễn theo phương thức truyền nhiệt sau Dẫn nhiệt Dẫn nhiệt truyền nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao... dọc − Ngưng- tắt máy 4 .Thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống có phải thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ ống không? Trả lời: Thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ ống 5.Chỉ... thống thiết bị thí nghiệm Page 24 Thí nghiệm QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Chỉ rõ đường dòng lạnh hệ thống thiết bị thí nghiệm Page 25 Thí nghiệm QT&TB GVHD: Võ Văn Sim Ưu nhược điểm thiết bị truyền nhiệt