ปฏบตการท 7 เครองแลกเปลยนความรอน (Heat Exchanger)

วตถประสงค 1.เพอศกษาหลกการทำางานของเครองแลกเปลยนความ

รอนแบบทอ 2 ชน เมอเปนการไหลแบบทางเดยวกน (co-current flow) และไหลสวนทางกน (countercurrent flow)

2.เพอศกษาผลของอตราการไหลของของไหลรอนตอการทำางานของเครองแลกเปลยนความรอน

ทฤษฎเครองแลกเปลยนความรอนแบบทอ 2 ชน มทอแลก

เปลยนความรอนเปนรปตว U ผวดานนอกเปนฉนวนกนความรอน ทอดานในเปนทอของของไหลรอน ทอดานนอกเปนทอสำาหรบของไหลเยน ม control valve เปนตวกำาหนด

ทศทางการไหลของของไหล flow meter สำาหรบวดอตราการไหลและเทอรโมมเตอรสำาหรบวดอณหภมทงของไหลรอนและของไหลเยน มลกษณะการถายเทความรอนเปนดงรป 1

45

Cold fluid in

Cold fluid out

Hot fluid inHot fluid out

A: ลกษณะการไหลของของเหลว

B : ทศทางการถายเทความรอนของของเหลว

รปท 1 ทศทางการไหลของของไหลและลกษณะการกระจายความรอนภายในเครองแลกเปลยน ความรอน

รปท 1A เปนรปทแสดงการไหลของของเหลวรอนและของเหลวเยน โดยของเหลวรอนจะไหลภายในทอเลกขางใน สวนของเหลวเยนจะไหลภายในทอภายนอกของซงเหลวทงสองจะมทศทางการไหลทสวนทางกนทงนเพอใหอตราการถายเทความรอนสมำาเสมอ

สำาหรบรปท 1B เปนรปทแสดงทศทางการถายเทความรอนของของเหลวรอน จากรปความรอนจะถายเทจากภายในผานผนงทอดานในโดยวธการนำาความรอน และถายเทตอใหของเหลวเยนโดยวธการพาความรอน จากนนกถายเทโดยวธการนำาไปยงผนงทอภายนอกและฉนวนตามลำาดบ

46

wall

Insulation

Cold fluid

Hot fluid

สำาหรบนำารอนทใชในการทดลองจะมถงเกบอยทางดานหลงของตวเครอง ประกอบดวยตวถงเกบ heater และเครองควบคมอณหภม ซงสามารถควบคมอณหภมใหคงท 1°C การหมนเวยนนำาจากถงเกบไปยงเครองแลกเปลยนใชปม นำารอนทผานระบบมาแลวจะหมนเวยนมาสถงเกบเพอใหความรอนอกครง สวนนำาเยนใชนำาเยนจากแหลงนำาเยนของหองปฏบตการ ลกษณะและสวนประกอบของเครองแสดงดงรปท 2 และ 3

47

รปท 2 สวนประกอบของเครองแลกเปลยนความรอน (ดาน

หลง)

48

รปท 3 สวนประกอบของเครองแลกเปลยนความรอน (ดานหนา)

เครองแลกเปลยนความรอนเปนของบรษท Armfield รน HT4 รายละเอยดสวนประกอบของเครองม ดงน

(1) ถงเกบนำา (สำาหรบนำารอน)(2) heater(3) แผนกนในถงเกบนำา(4) sensor ของอณหภมนำารอน(5) ทางออกจากถงนำารอน(6) ปมนำา(7) ฝาปดถงเกบนำา(8) -(9) ตวควบคมอณหภม (10) เทอรโมมเตอร แสดงอณหภมนำารอนทจด

กงกลางของวงจร(11) air bleed valve ม 2 อนสำาหรบนำารอนและ

นำาเยน(12) เทอรโมมเตอร แสดงอณหภมนำาเยนทจด

กงกลางของวงจร(13) ทอ 2 ชนสำาหรบแลกเปลยนความรอน

49

(14) เทอรโมมเตอรสำาหรบแสดงอณหภมนำาเยน(ม 2 อน)

(15) เทอรโมมเตอร แสดงอณหภมนำารอนเขาเครองแลกเปลยนความรอน

(16) selector valve สำาหรบปรบทศทางการไหลใหเปนการไหลแบบทางเดยวกน หรอสวนทางกน

(17) เทอรโมมเตอร แสดงอณหภมนำารอนออกจากเครองแลกเปลยนความรอน

(18) control valve ของนำารอน(19) flow meter ของนำารอน(20) control valve ของนำาเยน(21) ทางเขาของนำาเยน (22) ทางออกของนำาเยน(23) flow meter ของนำาเยน(24) drain valve ของถงเกบนำา(25) drain tap ททางออกของปม(26) drain tap ใต control valve ของนำาเยน(27) main isolator(28) RCCD(29) และ (30) beaker

วสดอปกรณ

50

เครองแลกเปลยนความรอนแบบทอ 2 ชน (concentric tube heat exchanger,HT4)การคำานวณ

Heat transfer rate , q• = UA∆Tm

(1)Heat power emitted = QHρ HCPH( THin - THout

) (2)Heat power absorbed = QCρ CCPC( TCin - TCout

) (3)Heat power lost = heat power emitted

- heat power absorbed (4)Efficiency , η = emitted powerheat

absorbed powerheat × 100(5)

Log mean temperature difference ∆ Tm = T TTT

∆ − ∆∆∆

1 21

2ln

(6)Overall heat transfer coefficient U =

T∆ m

heat power absorbedheat transmission area x (7)เมอ q

• คอ อตราการถายเทความรอน (W) A คอ พนทผวของทอทความรอนถายเท (m2)

U คอ สมประสทธการถายเทความรอน (W/m2 oC)QH คอ อตราการไหลของของเหลวรอน (m3/s)

51

ρ H คอ ความหนาแนนของของเหลวรอน (kg/m3)CpH คอ ความจความรอนจำาเพาะของของเหลวรอน

(J/kgoC)THin คอ อณหภมของเหลวรอนขาเขา (oC)THout คอ อณหภมของเหลวรอนขาออก (oC)QC คอ อตราการไหลของของเหลวเยน (m3/s)ρ C คอ ความหนาแนนของของเหลวเยน (kg/m3)CPC คอ ความจความรอนจำาเพาะของของเหลวเยน

(J/kgoC)TCin คอ อณหภมของเหลวเยนขาเขา (oC) TCout คอ อณหภมของเหลวเยนขาออก (oC) ∆ Tm คอ Log mean temperature difference(oC)∆ T1 คอ อณหภมของเหลวรอนขาเขา-อณหภม

ของเหลวเยนขาเขา (oC)∆ T2 คอ อณหภมของเหลวรอนขาออก-อณหภม

ของเหลวเยนขาออก (oC)

วธทดลอง1. การตดตงระบบทำางานของเครองแลกเปลยนความรอน

1. ตอทอนำาเยนเขากบแหลงนำาเยน และตอทอนำา(นำาเยนออก)ทง

52

2. ตรวจสอบวา Service valve ของปมนำาเปดอย (slot ขนานกบทอ)

3. ปด drain valve (24) drain tap(25) และ drain tap (26)

4. ปด air bleed valve (11)5. เปดฝา (7) เตมนำาสะอาดลงในถงเกบนำา6. ปด control valve (18) ของระบบนำารอน7. ตรวจสอบวา selector switch ทมอเตอรของปมนำา (6)

อยท " maximum"8. ตรวจระบบไฟ เปดสวตซ RCCD (28) ทดานหลงเครอง

กดปม TEST เพอทดสอบวา RCCD ทำางานตามปกตหรอไม ถาไม ใหเรยกชางไฟฟามาตรวจเสยกอน ถาทำางานปกต เปดสวตซ RCCD

9. เปดสวตซ main isolator(27) และ beaker (29) และ (30) ตรวจสอบวาปมสบนำาและตวควบคมอณหภมทำางานหรอไม

10. กด set point membrane key และ LOWER key เพอตงคาอณหภมใหสงกวาอณหภมหอง(เพอให heater ทำางาน)

11. เปด control valve (18) และ vent valve(11) ของระบบนำารอน ( air bleed valve ตวบนสด) เปด-ปด

53

control valve (18) จนนำาเขาระบบ ปด vent valve (11) ทนททนำาออก

12. ถาปมนำาไมสบนำา ใหตอสายยางเขากบ drain tap (25) ททางออกของปม ปลายขางหนงของสายยางใหจมในนำาในถงนำา(1) ขณะทปมทำางาน เปด drain valve จนปมสบนำา แลวจงปด drain valve และเอาทอออก

13. ตรวจดวานำาในถง (1) เพยงพอ ปดฝา (7)

2. การทดลอง ตอนท 1 ศกษาการทำางานของเครอง เมอเปลยนทศทางการไหล

1.) การไหลแบบทางเดยวกน1. ปรบ control valve ของนำารอน ใหอตราการไหลท

flow meter (19) เทากบ 2000 cc/min 2. ตง selector valve (16) ใหเปนการไหลแบบทาง

เดยวกน เปดใหนำาไหลเขาเครองแลกเปลยนความรอนจนการไหลอยในสภาวะคงท

54

3. ปรบ control valve (20) ของนำาเยน ใหอตราการไหลท flow meter (23) เทากบ 1000 cc/min

4. ตง set point ของ temperature controller ใหอยท อณหภม 60 °C โดยกด set point membrane key และ RAISE key

5. บนทกอณหภมของนำารอนและนำาเยนททางเขา จดกงกลาง และทางออกของเครองแลกเปลยนความรอน

6. คำานวณคา power emitted(W) , power absorbed (W) , power loss (W) ,%Efficiency, ∆ Tm (°C) และคา U(W/m2°C) และเขยนกราฟแสดง temperature profile

2.) การไหลแบบสวนทางกน1. ปรบ control valve ของนำารอน ใหอตราการไหลท

flow meter (19) เทากบ 2000 cc/min 2. ตง selector valve (16) ใหเปนการไหลแบบสวนทางกน

เปดใหนำาไหลเขาเครองแลกเปลยนความรอนจนการไหลอยในสภาวะคงท

3. ปรบ control valve (20) ของนำาเยน ใหอตราการไหลท flow meter (23) เทากบ 1000 cc/min

4. ตง set point ของ temperature controller ใหอยท อณหภม 60 °C โดยกด set point membrane key และ RAISE key

55

5. บนทกอณหภมของนำารอนและนำาเยนททางเขา จดกงกลาง และทางออกของเครองแลกเปลยนความรอน

6. คำานวณคา power emitted(W) , power absorbed (W) , power loss (W) ,%Efficiency, ∆ Tm (°C) และคา U(W/m2 °C) และเขยนกราฟแสดง temperature profile

ตอนท 2 ศกษาการทำางานของเครอง เมอเปลยนแปลงอตราการไหล

1. ปรบ control valve ของนำารอน ใหอตราการไหลท flow meter (19) เทากบ 1000 cc/min

2. ตง selector valve (16) ใหเปนการไหลแบบทางเดยวกน เปดใหนำาไหลเขาเครองแลกเปลยน ความรอนจนการไหลอยในสภาวะคงท

3. ปรบ control valve (20) ของนำาเยน ใหอตราการไหลท flow meter (23) เทากบ 1000 cc/min

4. ตง set point ของ temperature controller ใหอยท อณหภม 60 °C โดยกด set point membrane key และ RAISE key

56

5. บนทกอณหภมของนำารอนและนำาเยนททางเขา จดกงกลาง และทางออกของเครองแลกเปลยนความรอน

6. ทำาซำาขอ 1-5 แตเปลยนอตราการไหลท flow meter (19) เปน 2000 ,3000 ,4000 cc/min ตามลำาดบ

7. คำานวณคา power emitted(W) , power absorbed (W) , power loss (W) ,%Efficiency, Tm(°C) และคา U(W/m2°C) และเขยนกราฟแสดง temperature profile

8. ตง selector valve (16) ใหเปนการไหลแบบสวนทางกน ทำาซำาจากขอ 1-7 อกครง

ผลการทดลองตอนท 1 ศกษาการทำางานของเครอง เมอเปลยนแปลงทศทางการไหล

1.1 ตารางแสดงอณหภมทจดตางๆของเครองแลกเปลยนความรอน เมอเปนการไหลแบบทางเดยวกนและแบบสวนทางกน

TH in

(°C)TH mid

(°C)TH out

(°C)TC in (

°C)T Cmid

(°C)TC out

(°C)การไหลแบบทางเดยวกน

57

การไหลแบบสวนทางกน

1.2 ตารางแสดงผลการคำานวณPower emitte

dW

Power absorbedW

Power lost W

Efficiency%

∆ Tm

° CU

W /m2

°C

ไหลแบบทางเดยวกนไหลแบบสวนทางกน

58

ตอนท 2 ศกษาการทำางานของเครอง เมอเปลยนแปลงอตราการไหล

2.1 ตารางแสดงอณหภมทจดตางๆ ของเครองแลกเปลยนความรอน เมอทำาการเปลยนแปลงอตราการไหล

2.1.2 การไหลแบบทางเดยวกน

อตราการไหล

(cc/min)

TH in

(°C)TH mid

(°C)TH out

(°C)TC in (

°C)T Cmid

(°C)TC out

(°C)

1000200030004000

2.1.2 การไหลแบบสวนทางกนอตราการ

ไหล(cc/min)

TH in

(°C)TH mid

(°C)TH out

(°C)TC in (

°C)T Cmid

(°C)TC out

(°C)

1000

59

200030004000

2.2 ตารางแสดงผลการคำานวณอตราการ

ไหลPower emitte

dW

Power absorbedW

Power

lost W

Efficiency%

∆ Tm

° C

UW /m2 °C

การไหลแบบทางเดยวกน

1000200030004000

การไหล

100020003000

60

แบบสวนทางกน

4000

คำาถาม1.ใหเขยนไดอะแกรมระหวางอณหภมกบระยะทางทของเหลวเคลอนทภายในเครองแลกเปลยนความรอนแบบทงสองชน ทงแบบไหลทางเดยวกน และไหลสวนทางกน2.ใหวจารณผลวาทศทางการไหลมผลตออตราการถายเทความรอนอยางไร3.อตราการไหลมผลตอสมประสทธการถายเทความรอนหรอไม4.ปจจยททำาใหคา Heat power emitted และ Heat power absorbed ตางกน

เอกสารอางองและแหลงวทยาการArmfield, 1995, Instruction Manual : Concentric Tube

Heat Exchanger(HT4), November 1995, issue 10

61

62