5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-1-
คม อปฏบัตการ วชา Unit Operation Laboratory III
เคร องแลกเปลย นความรอนแบบแผ น (Plate Heat Exchanger)
รศ. ดร.อาทวรรณ โชตพฤกษ
นายกตต กจนธกล
1. วัตถ ประสงค
ศกษาหลักการทางานของเครองแลกเปลยนความรอนชนดแผน
2. ศกษาปัจจัยทสงผลตอคาสัมประสทธการถายเทความรอนโดยรวม (Overall Heat Transfer
Coefficient, U ) ไดแก อัตราการไหลของของไหล อณหภมข
 องไหลทมการแลกเปลยนความร อน
1.
2. ทฤษฎทเ กยวของ
เครองแลกเปลยนความร อนแบบแผน เปนเคร องแลกเปลยนความร อนประเภทหนงทมลักษณะ
ของพน ผวสัมผัสสาหรับการแลกเปล ยนความร อนระหวางของไหลรอนกับของไหลเยนเปนแบบแผน ขอด
ของเคร องแลกเปลย นความรอนชน ดน ค อ สามารถถอดประกอบออกมาทาความสะอาดไดงาย และ
สามารถปรับพน ทในการแลกเปลยนความร อนไดโดยการเพมหรอลดจา นวนแผนโลหะตามความตองการ
สวนของแผนแลกเปลยนความร อนประกอบดวยแผน โลหะทมพน ผวขรขระเปนลอนหลายแผนประกบกัน
ดังรปท 1 ซง แผนเหลา นถ กประกอบอยร ะหวางเฟรมหนาอัดและเฟรมหลังอัด โดยมชด สลักยดไว รอบแผน
โลหะนจะม
 ปะเกนป องกันการรัวไหลและบังคับทศทางการไหลของของไหล จานวนแผนแลกเปลยนความ
รอนนข นอยกับอัตราการไหล คณสมบัตทางกายภาพของของไหล ความดันลด และอณหภมของของไหล
สายเขา-ออกตามทตองการ ซง แตละแผนนัน จะมชอ งทให สารไหลผานตางกัน และชองวางระหวางแผนจะ
มระยะหางเทากับความลกของลอนแผนแลกเปลยนความรอน
รปท 1 สวนประกอบของเครองแลกเปลยนความรอนแบบแผน
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
1/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-2-
จากกฎการอนรักษพลังงาน สามารถเขยนสมการอนรักษพลังงานของระบบเคร องแลกเปลยนความร อน
(Q) แบบแผนไดดัง น 
Q =mC
h
h
−T
(T
p ,h
h ,in
)
(1)
h , out
Qc = mc C p ,c (Tc,out − Tc,in )
(2)
เมอ m คอ อัตราการไหลโดยมวลของของเหลว C คอคาความจความรอนจาเพาะของของเหลว
โดยตัวหอย และ แสดงถงคาของของเหลวสายร อนและสายเยนตามลาดับ และ ตัวหอย และ
แสดงถงคาของของเหลวขาเขาและขาออก ตามลาดับ
ในทางทฤษฏนัน Q ควรเทากับ Q แตดวยสาเหตบางประการ Q กับ Q อาจมความ
แตกตางกันเลกนอย จงมการพจารณาคาอัตราการถายโอนความรอนเฉลยดังน
p
h
c
in
h
c
Q=
ซง สอดคลองกับสมการ
h
1
2
out
c
(Qh + Qc )
(3)
Q = UA∆Tlm
(4)
คอคาสัมประสทธการถายโอนความรอนโดยรวมตอ พนท
 ผวสัมผัสของทอ
 ทังหมดในการแลกเปลยนความร อน = A N
A คอ พนท
U
0
เมอ
s
คอ พน ทผวของแผนแลกเปลยนความร อนแตละแผน และ
คอจานวนแผนแลกเปลยนความร อน
คอผลตางอณหภมแบบคาเฉลยลอการทม สามารถคานวณไดจากสมการ (5)
A0
Ns
∆Tlm
∆Tlm =
(Th ,in − Tc ,out ) − (Th ,out − Tc ,in )
 (T ,in − Tc ,out ) 
ln  h
 (T − T ) 
 h ,out c ,in 
(5)
สาหรับคาสัมประสทธการถายโอนความรอนนัน (U ) เปนคาทบงบอกถงประสทธภาพในการแลกเปลยน
ความรอนของเครองแลกเปลยนความรอ น ปัจจัยทสงผลตอคาสัมประสทธการถายโอนความรอนโดยรวม
ไดแก ความตานทางในการแลกเปลยนความร อน ซง มความสัมพันธดังสมการ (6)
1
UA
=
1
hh Ah
+
1
hc Ac
(6)
เมอ h คอสัมประสทธการพาความรอนของของเหลว ซงมความสัมพันธกับสมบัตและสภาวะของของเหลว
ขณะนัน โดยความสัมพันธดังกลาวมักแสดงอยใ นรปตัวแปรไรหนวย
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
2/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-3-
Nusselt number;
Reynold number;
Nu =
Re
hD
k
ρυ D
=
µ
randtl number;
เมอ
D
k
ρ
υ
µ
Pr = c p µ
k
คอเสนผานศนยกลาง hydraulic = 4 × Area = 4sb
Perimeter 2 s + 2b
โดย s คอระยะหางระหวางแผนโลหะ และ b คอความกวางของแผนโลหะ
คอคาการนาความรอนของของเหลว
คอความหนาแนนของของเหลว
คอความเรวของของเหลว
คอความหนดของของเหลว
สาหรับการไหลแบบราบเรยบ
(Re < 100)
 D RePr 
Nu = 1.86  h

L


1
3
(7)
เมอ L คอความยาวของแผนโลหะ
สาหรับการไหลแบบปันปวน (Re ≥ 100)
Nu = 0.374 Re 0.668 Pr
1
3
เมอ
Pr > 0
(8)
ความเรวของของไหลทแลกเปลยนความร อนนัน สามารถคานวณไดจากอัตราสวนระหวางอัตราการไหลเชง
ปรมาตรของสาร (V ) กับ พนท
 หนาตัด และจานวนชองระหวางแผนโลหะทัง หมดทของเหลวไหลผาน ดังน
สาหรับจานวนแผ นโลหะเลขค
υ
=
สาหรับจานวนแผ นโลหะเลขค
ของเหลวสายท 1:
υ
=
V
 N +1
A s

 2 
V
N 
A s 
 2 
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
(9)
(10)
3/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-4-
ของเหลวสายท 2:
υ
=
V
 N +2
A s

 2 
(11)
3. อปกรณ
ชดการทดลองเครองแลกเปลยนความรอนแบบแผนประกอบด วยของเหลว 3 สาย ไดแก สายนา
เยน นา รอน และสายผลตภัณฑ ไหลมาแลกเปลยนความร อนทเครอ งแลกเปลยนความร อนแบบแผน
โดยทศทางการไหลแสดงไดดังแผนภาพในรปท 2
รปท 2 แผนภาพแสดงทศทางการไหลของสายนาเย
 น น าร อน และสายผลตภัณฑ
ระบบของชดทดลองประกอบดวยการไหลของไหล  สาย ไดแกสายผลตภัณฑ สายนาร อน
และสายนา เยน
สายผลตภัณฑ
ปัม P1 ทาหนาทปั มผลตภัณฑขน ไปตามสายดังรปท 2 ผานโรตามเตอรวัดอัตราการไหล เขาไปท
ชดแผนแลกเปลยนความร อน ชดท 1 (S1: regenerative section) และชดท 2 (S2: heating section)
ตามลาดับ จากนัน จงไหลผานชดแผนแลกเปลยนความร อนชดท 1 อกครัง เขาสชดแผนแลกเปลยนความ
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
4/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-5-
รอนชดท 3 (S3: Cooling section) แลวจงวนกลับเขาสถังผลตภัณฑ ทสายผลตภั ณฑนจะม
 เทอร
โมคัปเปลตรวจวัดอณหภมทังหมด 5 จด ไดแก T1 – T5
สายนารอน
นารอนจากหมอตม จะถกปั ม P3 ปั มขนไปตามสายดังรปท 2 ผานโรตามเตอรวัดอัตราการไหล
เขาไปชดแผนแลกเปลยนความร อนชด ท 2 (S2) แลววนกลับเขาไปทหมอตม โดยทสายนารอนนจ ะม
เทอรโมคัปเปลตรวจวัดอณภม 3 จด คอ T10, T6 และ T7
สายนาเยน
นาเยนจะถกปัมโดยปัม P2 ผาน โรตามเตอรวัดอัตราการไหล เขาสช ดแผนแลกเปลยนความร อน
ชดท 3 (S3) แลวออกไปจากระบบ สาหรับสายของนา เยน จะมเทอรโมคัปเปลตรวจวัดอณภม 2 จดคอ T8
และ T9
ระบบประกอบดวยอปกรณตา งๆ ดัง น 
1. ชดเครองแลกเปลยนความร อนแบบแผน (รปท 3) มรายละเอยดของเคร องดัง น 
• Plate material : AlAl 0
• Thermal Conductivity : 17.3 kW/m. C
• Surface area per plate : 0.05 m
• Plate width : 0.113 m
• Plate Length: 0.445 m
• Plate thickness: 0.0006 m
• Plate gab : 0.003 m
• จานวน Thermal plate
3
4
o
2
Heating section : 8
Cooling section : 13
Regenerative section : 37
รปท 3 เครองแลกเปลยนความร อนแบบแผน
หมอตมนา (รปท 4)
3.ตควบคมอณหภมข
 องหมอตมนา สวตซเปดปดปัม จอแสดงผลสาหรับการทดลองเคร องแลกเปลยน
ความรอนแบบแผน (รปท 5)
4. สวตซเปดปดหมอตมนา (อยดานในตควบคม) (รปท 6)
5. วาลวปรับอัตราการไหลของนาร
 อน ( รปท 7)
6. วาลวปรับอัตราการไหลของนาเย
 น (รปท 8)
2.
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
5/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-6-
ขอควรระวัง: ตรวจสอบปรมาณนาในหลอดแก

ว
กอนเปดหมอตมนา ทกครัง ระวังอยาใหนาใน

หลอดแกวลดลงจนหมด เพราะระบบนาร อนเปน
ระบบปด หากนาลดหายไปแสดงว

ามบางแหงทเกด
การรัวซม
รปท 4 หมอตมนา
รปท 5 ตควบคมและจอแสดงผล
รปท 6 ตควบคมและจอแสดงผล
แสดงอณหภมหมอตมนา , (2) จอแสดงผล
(3) สวตซเปดปัมสายผลตภัณฑและสายนา เยน,
(4) สวตซเปดปัมน ารอนและหมอตมนา
(1)
รปท 7 วาลวปรับอัตราการไหลของนาร อน
รปท 8 วาลวปรับอัตราการไหลของนาเย
 น
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
6/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-7-
4. ขันตอนการทดลอง
1.
ตรวจสอบการเปดปดวาลวแตละจ ด โดยควบคมใหของเหลวทัง สามสายมทศทางการไหล
ดังรปท 2
ตรวจเชคระดับนา ในหลอดแกวของหมอตมนา (รปท 4) แลวจงเปด main switchในรปท 6
3. สอบเทยบคาอัตราการไหลและการตรวจวัดอณหภมของสายผลตภัณฑ
4. เปดปัมน าเยนและนาร
 อน
5. เปดสวตชหมอตมนาร
 อน (หมายเลข 4 ในรปท 5) ตังอณหภมหมอตมนา ท 70 C นา (หมายเลข
1 ในรปท 5) บันทกอณหภม T10 ทเวลาตางๆ
6. ตังคาอัตราการไหลของสายนา รอนท 0.25 m /h โดยใหคา อัตราการไหลของสายอนๆ คงท
7. เรมการแลกเปลยนความร อน โดยเป ดปั มของสายผลตภัณฑ บันทกคาอณหภม T1 –T9 และ
คาอัตราการไหลของสายนา เยนและนาร อนทเวลาตางๆ
8. ทาซา ขัน
 ตอนท 5 – 7 แตเปลยนคาอณหภมนารอนเปน 80 และ 90 C ตามลาดับ (สัปดาหท 1)
9. ออกแบบและทาการทดลองเพอศกษาผลของอัตราการไหลของสายผลตภั ณฑ และ สายนาร
 อน
ทมตอ คาสัมประสทธการถายโอนความรอนโดยรวม ( สัปดาหท 2)
2.
o
3
o
5. การวเคราะหขอมล
สรางกราฟความสัมพันธเพออธบายการเปลยนแปลงของคาสัมประสทธการถายโอนความรอน U
ทชดแลกเปลยนความร อนแตละสวน (Cooling, Heating และ Regenerative section) เมอมก าร
เปลยนแปลง
1. อณหภมข องสายนาร
 อน
2. อัตราการไหลของสายผลตภัณฑ
 อน
3. อัตราการไหลของสายนาร
พรอมทัง เปรยบเทยบความแตกตางของคา U ของสายนา รอน คา U ของสายนา เยน กับ คา
U
ตามทฤษฎ (แสดงวธการคานวณ)
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
7/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-1-
คม อปฏบัตการ วชา Unit Operation Laboratory III
เคร องแลกเปลย นความรอนแบบทอสองชัน
รศ. ดร.อาทวรรณ โชตพฤกษ
นายกตต กจนธกล
1. จดประสงค
เพ อศก ษาผลของสภาวะการดา เนน การตอ คา สัมประสท ธ ก ารถ า ยโอนความร อ นรวม
สัมประสทธการถายโอนความรอนของทอชัน ในและทอชัน นอก สาหรับเคร องแลกเปลยนความร อนแบบทอ
สองชัน ขนาดเลก
2. เพอเปรยบเท ยบผลของการแลกเปลยนความร อนจากการดาเนนการทตางกันระหวางสารในทอ
ไหลทางเดยวกัน และสารในทอไหลสวนทางกัน
1.
2. ทฤษฎ
เครองแลกเปลยนความรอนแบบทอสองชัน (double pipe heat exchanger) เปนเครองมอทมการ
ใชกันมากในอตสาหกรรมเนองจากมราคาถก เมอเทยบกับเครองแลกเปลยนความร อนชนดอนๆ รวมถง
งายตอสราง ตดตัง และบารงรักษา อยางไรกตามเครองแลกเปลยนความร อนแบบนจะมประสทธภาพใน
การแลกเปลยนความรอนทดอยกวาเครองแลกเปลยนความร อนชนดอนๆ
โดยประสทธภาพในการแลกเปลยนความร อนนัน จะขนกั
 บ อัตราการไหลของของไหลทแลกเปลยน
ความรอนกัน พ นทในการถายเทความร อน ขนาดและสัดสวนของทอดานในและทอวงแหวน รวมถงรปแบบ
ในการไหล ซงรปแบบในการไหลนัน มดวยกัน 2 แบบ คอการไหลแบบทางเดยวกัน (รปท 1) และการไหล
แบบสวนทางกัน (รปท 2)
รปท 1 การแลกเปลยนความร อนแบบไหลสวนทางกัน
พจารณาระบบการแลกเปลยนความร อนในทอสองชัน แบบทศทางการไหลสวนทางกัน ( counter
current flow)
ดังรปท 1
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
8/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-2-
อัตราการถายโอนความรอน (BTU/hr) ททอชัน ใน Q (ของเหลวภายในทอชัน ในสญเสยความ
รอน) และททอชัน นอก Q (ของเหลวภายในทอชัน นอกไดรับความรอน) ค อ
inner
outer
=m
Q
inner
(T − T )
C
inner
p ,inner
A
(1)
B
Qouter = mouter C p ,outer (TC − TD )
(2)
เมอ m คอ อัตราการไหลโดยมวลของของเหลวในทอดานใน C คอคาความจความรอนจาเพาะ
ของของเหลว โดยตัวหอย inner และ outer แสดงถงคาพารามเตอรของทอชัน ในและทอชันนอก
ตามลาดับ และ T , T , T , T คออณหภมทจ ดตางๆ ดังรปท 1
ในทางทฤษฏนัน Q ควรเทากับ Q แตดวยสาเหตบางประการ (ไดแกอะไรบ าง) Q
กับ Q อาจมความแตกตางกันเลกนอย จงมการพจารณาคาอัตราการถายโอนความรอนเฉลยดังน
p
A
B
C
D
inner
outer
inner
outer
1
Q=
ซง สอดคลองกับสมการ
โดย
2
Q
(Qinner + Qouter )
=
(3)
U i AY
i ∆Tlm
(4)
คออัตราการถายโอนความรอน
Q
คอคาสัมประสทธการถายโอนความรอนโดยรวมตอ พนท
 ผวสัมผัสของทอ
คอ พนท
 ผวสัมผัสของทอ
(ซงในการทดลองน  ไมมการไหลท
Y แฟกเตอรของการไหลตัง ฉาก (cross flow factor)
ของเหลวมทศ ทางการไหลตัง ฉากกัน (cross flow) หรอการไหลแบบผ านหลายครัง (multi-pass) ดังนัน คา
Y ในการทดลองนจ งเทากับ 1
∆T คอผลตางอณหภมแบบคาเฉลยลอการทม สามารถคานวณไดจากสมการ (5)
Ui
Ai
lm
A
C
B
D
∆Tlm ≅ (T − T ) − (T − T )
 T − TC 
ln  A

 TB − TD 
หากผลตาง
(TB − TD )
และผลตาง
(TA − TC )
∆Tlm ≅
1
(5)
มคา เทากัน จะสามารถหาคา ∆T ไดจากสมการ (6)
(TA − TC ) + (TB − TD ) 
2
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
lm
(6)
9/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-3-
อกวธหนง ในการแก สมการ (6) คอ การพจารณาแทนคาให (T − T ) = ∆
และ
(T − T ) = ∆ + δ (เมอ δ << ∆ ) ลงในสมการ ( 5) แล วจงใช การกระจายอนกรมเทยเลอร (Taylor
series expansion) สาหรับเทอม ln (1 + δ ∆)
B
A
D
C
สงทตอ งคา นงถง ในการใช งานเคร องแลกเปลยนความร อนค อคาความต านทาน โดยคาความ
ตานทานตอการถายโอนความรอนโดยรวม 1 ขนกับพน ทผวสัมผัสของทอ ดังสมการท (7)
Ui
1
Ui
โดย
hinner
Di
k
F
=
1
hinner
+
Di
2k
 Do  Di
+
D
 i  Do
ln 
1
houter
+F
(7)
และ h คอคาสัมประสทธการถายโอนความรอนททอชัน ในและทอชัน นอก ตามลาดับ
outer
และ D คอเสนผาศนยกลางของทอชัน ในและทอชัน นอก ตามลาดับ
คอคาการนาความรอนของของเหลว
คอคาความตานทานอันเกดจากสงสกปรกทผนัง (fouling factor)
o
เนอ งจากโดยทัวไปแล ว ในการใช งานเคร องแลกเปลย นความรอน จะต องมก ารคา นวณค า
สัมประสทธการถายโอนความรอนทังททอชันในและทอชัน นอก รวมทัง คาความตานทานอันเกดจากสง
สกปรกทผนัง หรอคา fouling factor, F ดวย วธหนงทใชในการคานวณคาสัมประสทธเหลา นค อวธของ
Wilson [Bennett and Myers, 1982].
สาหรับทอทรงกระบอก คาสัมประสทธ การถายโอนความรอนท ท อ ชันในและทอ ชัน นอกนัน
สามารถหาไดจากสมการ (8) หรอ (9)
สาหรับการไหลแบบปัน ปวนมาก ( Re ≥ 10,000 , 0.7 ≤ Pr ≤ 160 , L ≥ 10 , ∆T = นอยถง
D
ปานกลาง)สามารถใชสมการของ Dittus-Boelter ในการคานวณได
สมการของ Dittus-Boelter
โดย Nusselt number,
Nu
Nu
=
hD
k
และ
4
= 0.02 − Re 5 Pr n
n = 0.4
และ 0.3 สาหรับสายนา รอนและนาเย
 น ตามลาดับ
สาหรับการไหลแบบราบเรยบ ( Re < 2,100 ,โดย 0.5 ≤ Pr ≤ 17,000 ,
สมการของ Sieder-Tate ในการคานวณได [Perry’s. 1984]
1
Nu
สมการของ
Sieder-Tate
=
 RePrDi  3  µ 
1.86 
(8)
L
Nu >1.86 × 2 )
สามารถใช
0.14
  µw 
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
(9)
10/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-4-
วธของ Wilson ใชเลขชก าลังของ Re จากความสัมพันธดังสมการ (8) และ (9) ในการคานวณ
สัมประสทธการถายโอนความรอนททอชัน ในและทอชัน นอก เมอทราบคาสัมประสทธการถายโอนความ
รอนแลวกสามารถค านวณคา F ได
ตัวอยางเชน จากสมการ (9) จะไดวา สาหรับการไหลแบบปั  นป วนในทอ ทรงกระบอก
 ของสมบัตท างกายภาพของของเหลว (µ , c , k ) และสามารถพจารณา
h
= α m โดย α เปนฟังกชัน
รวมเปนคาคงทได เมอสภาวะของของเหลวไมไดม การเปลยนแปลงอย างมนัยสาคัญ เมอพจารณาใน
ทานองเดยวกัน สาหรับสมการ (10) จะไดวาสาหรับการไหลแบบราบเรยบในทอทรงกระบอกนั น
h
ดังนัน สมการ (7) จงเขยนเปนอกรปแบบหนง ไดวา
=α m
inner
0.8
inner
inner
0.33
inner
p
1
Ui
โดย
c=
Di
2k w
ln
Do
=
1
ninner
inner
αm
+c+
และ
Di
1
nouter
η mouter
η=
Do
Di
+F
(10)
β
ซง n และ n คอเลขชก าลังทไดมาจากสมการตางๆ ทเกยวขอ งกับการถายโอนความรอน การพลอต
กราฟโดยอาศัยเทอมของคาคงท m และ m ทาใหสามารถประมาณคา α ,η และ F ได
inner
outer
inner
outer
3. อปกรณ
ชดทดลองเครองแลกเปลยนความร อนแบบทอสองชัน ประกอบดวยสวนตางๆ ดังรปท 3 โดยการ
แปลกเปลยนความร อนของสายน า รอนและนา เยนสามารถปรับไดสองทศทางคอแบบ Co-current flow
รปท 3 (ก) และ Counter-current flow รปท 3 (ข)
ก) Co-current flow
(
V2
V1
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
11/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-5-
(
ข) Counter-current flow
V2
V1
รปท 2 แผนภาพแสดงอปกรณตา งๆ ในชดทดลองเครองแลกเปลยนความร อนแบบทอสองชัน
และทศทางการไหลของนาร อนและนา เยน (ก) Co-current flow และ (ข) Counter current flow
นารอนจะไหลขน ตามทศทางดังรปท 2 เขาสเคร อง
แลกเปลยนความร อนตัวท 1 และ 2 ตามลาดับ มาทวาลว V1
ทกันอยในลักษณะดังแผนภาพแลวไหลขน ผานโรตามเตอรวัด
อัตราเรวแลวจงออกจากระบบไป สาหรับนา เยนจะไหลมาเจอ
กับวาลว V2 ซงหากทศทางของวาลวเปนรปท 2 (ก) นาเยนกจะ
ไหลขน ดานบน เข าสเคร องแลกเปลย นความร อนในลักษณะ
น หากเปลยนท
ศ ทางของวาล
เปนดังรปท 2กับ(ข)สายของน
นาเยนาร กจอะไหลมาทางด
านล
าง แลวขน ไปว
แลกเปลยนความร อนใน ลักษณะ Counter-current จากนัน ก
จะไหลออกไปจากระบบ มก ารตด ตั งเทอร โมคัปเปลวัด
อณหภมทตาแหนง ตางๆ แสดงเปนหมายเลขดังแผนภาพ โดย
สามารถตรวจสอบอณหภมไดทสวนแสดงอณหภม (รปท 3)
รปท 3 สวนแสดงอณหภมท ต า แหนงตางๆ
Co-current
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
12/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-6-
สวนของหมอตมนาร อน (ใชรวมกับชดการทดลอง Plate Heat Exchanger) ประกอบดวย
• ตควบคมการเปดปดสวทชของหมอตมนาร
 อน อณหภมนารอน และปัมน ารอน (รปท 4)
• หมอตมนา รอน (รปท 5)
•
วาลวปรับอัตราการไหลเขาของนา รอน (รปท 6)
รปท 5 หมอตมนา
4
ร
ป
ท

ตควบคมหมอตมนารอนและปัมนาร อน
(1) แสดงอณหภมหมอตมนา , (2) จอแสดงผลสาหรับการ
ทดลองเครองแลกเปลยนความร อนแบบแผน
(3) สวทชเปดปัมสายผลตภั ณฑและสายนา เยน,
(4) สวทซเปดปัมน ารอนและสวตซเปดหมอตมนา
รปท 6 วาลวปรับอัตราการไหล
ของนา รอน
ขอควรระวัง อยาใหนาในหลอดแก

วในรปท 5 ลดจนหมดเพราะระบบนาร อนเปนระบบปด ถานาลดหายไป

แสดงวามบางแหงทเกดการรัวซม
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
13/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-7-
4. ขันตอนการทดลองเคร องแลกเปลยนความรอนแบบทอสองชัน
ตรวจเชคระดับ นา ในหลอดแกวของหมอตมนา (รปท 5) แลวจงเปดสวทซหลั กทอยภายใน
ตควบคม (รปท 4) ปรับอ ณหภมหมอตมนาท
 ตา แหนงหมายเลข 1 ในรปท 4 รอจนไดอณ
 หภมทต องการ
1.
ปรับทศทางการไหลของนา จากหมอตมใหมาท  ชดทดลองเครอ งแลกเปลยนความร อนแบบทอ
สองชัน ดังรปท 7
2.
ป ด
เปด
รปท 7 ปรับทศทางการไหลของนา จากหมอตมใหมาท Double Pipe Heat Exchanger
(สวนนอย
 ท ช ดทดลอง Plate Heat Excahnger)
3.
เลอกรปแบบการไหลดวยการปรับวาลว ดังรปท 8
Counter-Current Flow
Co-Current Flow
รปท 8 การปรับวาลวเพอเลอกทศทางการไหลใหเปน counter-current flow หรอ co-current flow
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
14/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-8-
เปดนาเย
 น (นาอ
 ณหภมหอง) เขาสระบบโดยการตอจากกอกนาในห
 องปฏบัตก าร และวัดอัตรา
การไหลดวยวธการวัดปรมาตรแลวจับเวลา เพอหาอัตราการไหลของนาเย
 น
5. เปดสวทชสวนแสดงผลของการทดลองเครองแลกเปล ยนความร อนแบบทอสองชัน บันทกคา
4.
อณหภมทต า แหนงตางๆ เมอเวลาผานไป
6. ปรับเปล ยนอัตราการไหลของนาร
 อนจากวาลวในรปท 6 แลวบันทกอณหภมทจ ดตางๆ เชนเดยว
กับขอ 4 เพอศกษาผลของอัตราการไหลของนาร อนทมตอ การแลกเปลยนความร อน
7. เปลยนรปแบบการไหล แลวทาการทดลองเชนเดยวกับขอ 4-6
5. การวเคราะหขอมล
สรางกราฟอธบายความสัมพันธของอัตราการไหลของนา รอนทมตออัตราการแลกเปลยนความ
รอนสาหรับท ศทางการไหลทัง สองรปแบบ
2. คานวณ Q , Q
และ U ของการทดลองแตละครัง
3. สรางกราฟเพอความสัมพันธของคาสัมประสทธการถายโอนความรอนททอชัน
 ในและทอชัน นอก
กับคาความตานทานอันเกดจากสงสกปรกทผนัง (fouling factor) โดยใชวธการประมาณแบบกาลังสอง
ตาสด (least-squares linear regression) เพอสรางกราฟเสนตรงตามวธของ Wilson
4. เปรยบเทยบคาสัมประสทธการถายโอนความรอนระหว างทอ ชัน
 ในและทอชัน นอกทไดจากการ
ทดลอง รวมทัง เปรยบคาดังกลาวกับคาทไดจากการคานวณตามทฤษฏ
1.
i nner
ou ter
i
เอกสารอางอง
Bennett, C.O., and Myers, J.E., Momentum, Heat, and Mass Transfer, 3rd ed., Wiley,
New York (1982).
7
Perry's Chemical Engineers Handbook, th ed., R. H. Perry and D.W. Green, Editors,
New York: McGraw-Hill, 1997.
Daniel. A. Donohue, Heat Transfer and Pressure Drop in Heat Exchangers, Industrial
and Engineering Chemistry, Vol. 41, No. 11. (1949).
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
15/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-1-
คม อปฏบัตการ วชา Unit Operation Laboratory III
Fimewise and Dropwise Condensation
อ. ดร.วรัญ แตไพสฐพงษ
น.ส. ธนาภรณ หาเคน
1. วัตถ ประสงค
เพอเปร ยบเทย บความร อนตอหนว ยพนท
  (q/A) และอัตราการถายเทความรอนบนพนผ
 วซงม
การควบแนนแบบ film-wise และ drop-wise
2. เพอหาความสัมพันธของสัมประสทธการถายเทความรอน (h) และอัตราการไหลของนาเย
 น
1.
2. ทฤษฎ
ในโรงงานอตสาหกรรม กระบวนการในการผลตมักจะเกยวของกับการใช ความร อน เนองจากการ
ใช จากประโยชนของความร อนมมากมาย เชน การทาใหเปลยนสถานะ การเพมอณหภม การแลกเปลยน
ความรอน เป นตน จงเป นทต องการทจ ะน าความร อนมาใช ให เก ดประโยชนสง สด การควบแน นเป น
ปรากฏการณหนงทพบได ในโรงงานอตสาหกรรมซงเกยวขอ งกับการถายเทความรอนจงจาเปนตองศกษา
เพอใหเ ข าใจถ งปรากฏการณและสามารถนาไปใชเพอใหเ กดประโยชนสง สด การควบแนนเกดขนได
 เมอ
อดัณ
งนหภ
 มของไอลดลงตากวาจดควบแนนของสารนัน ๆ ซงเราสามารถแบงประเภทของการควบแนนทพบได
1. การควบแนนทเกดจากการสัมผัสกันระหวางเฟสกาซกับ พนผ
 วของของแขงอณหภมตา ซงเฟส
กาซจะถายเทความรอนมายัง พนผ
 วและเกดการควบแนนเป นของเหลว ซงเปนกระบวนการทใชกันมากใน
อตสาหกรรม
2. การควบแนนภายในสารชนดเดยวกัน (homogeneous condensation) เปนกระบวนการทไอ
จะควบแนนและกลายเปนของเหลวแขวนลอยอยภ ายในเฟสกาซ
3. การควบแน น ท เ ก ด จากการสัมผัสกัน โดยตรงของไอและของเหลว (direct contact
condensation)
เป นกระบวนการท ไอจะถก นา ไปสัมผัสกับของเหลวอณ หภม ต า โดยตรง เก ดการ
แลกเปลยนความร อนกันแลวทาใหไอเกดการควบแนนเปนของเหลว
สาหรับในการทดลองนจ ะเปนการศกษาการเกดการควบแนนแบบท 1
กระบวนการควบแนนของไอเปนของเหลวบนพนผ
 วของของแขง สามารถแบงไดเปน 2 ประเภท
คอ การควบแนนบนพนผ
 วแบบแผนฟลม (filmwise) และการควบแนนบนพนผ
 วแบบหยด (dropwise) ซง
ในการทดลองนจะศ
 กษาปราฏกรณการเกดการควบแนนทัง สองเฉพาะในแนวดง
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
16/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-2-
2. การควบแนนแบบฟลมบนพน ผวแนวดง (Filmwise condensation)
การควบแนนบนพนผ
 วแบบเปนแผนฟลม (filmwise) ซงไอจะควบแนนเปนของเหลวและเคลอบไป
ตลอดพนผ
 วของของเหลว และภายใตแรงโนมถวงของโลก ชัน ฟลมของเหลวจะมการไหลอย างตอเนอง ซง
การควบแนนแบบฟลมนม สว นชวยในการกาจัดความสกปรกบนพนผ
 ว บนพนผ
 วของเหลวทมอณ
 หภมตา
กวา T จะม การถ ายเทความร อ นระหว างพนผ
 วของแขงกับเฟสกาซโดยผานชั นฟลมทเ กด จากการ
ควบแน น ของเฟสกาซ ซง ในกรณ ทัว ไป กาซจะถก ทา ให มอ ณ หภม มากกวา คา T เราได ท าการ
ตังสมมตฐานกอนการวเคราะหดัง น 
1. ของเหลวมการไหลแบบลามนารและมคาสมบัตของของเหลวคงท
2. เฟสก าซเป นสารบรสท ธ มอณ
 หภมคงท และการถายเทความร อนเกดข นจากการควบแนนของ
กาซเทานัน ไมเกดจากการนาความรอนของกาซ
3. ละเลยความเคนเฉอนบรเวณพนผวของกาซกับฟ ลมของเหลว ซงจะทาใหเราไมตองพจารณา
ความเรวของเฟสกาซ
4. ละเลยโมเมนตัมและการถายเทพลังงานในแกนนอนของฟลม
ดังรปท 1 การควบแนนของเฟสกาซจะกอใหเกดการรวมตัวของของเหลวและเกดเปนแผนฟลมทม
ความหนา δ(x) ซง ความหนานจ ะมคา มากขนหากม

ระยะหางจากดานบนของพนผ
 วมากขน ความหนาของ
แผนฟลมทมากข นนจะส
 งผลใหอัตราการไหลของแผนฟลมในแนวด งมคา เพมข นตามมา คาความเรวจะม
คาเปนศนยบรเวณผวสัมผัสและเพมข นจนมคา สงสดทผวของฟลม และลดลงจนประมาณคาเปนศนยอก
ครัง ทบรเวณเฟสไอ
sat
sat
รปท 1 แสดงความสัมพันธของอณหภมแ ละความเรวทเกดข นในการควบแนนแบบฟลม
ภาพแสดงการควบแนนแบบฟลมบนพน ผวแนวดง
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
17/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-3-
ในกระบวนการถายเทความรอนผานแผนฟลมจะเปนกระบวนการแบบ external convection
สาหรับพฤต กรรมการไหลสามารถกาหนดขอบเขตดวยคา Reynolds number (Re) ซง คานวณไดจาก
l m
Reδ = 4m
 = 4ρ u δ
b
µl
µl
ซง
um
b
δ

m
(1)
คอ คาความเรวเฉลย(Mean) ของ film
คอ ความกวางของพนผว
คอ ความหนาของ Film
คอ อัตราการไหลเชงมวล
µl
ρl
คคออ ความหน
ดของของเหลว
ความหนาแน
นของของเหลว
พฤตกรรมการไหลสามารถจาแนกไดเปน 3 กรณตามชวงของ Re ดังรปท 2
1. Re ≤ 30 จะเกดพฤตกรรมการไหลแบบลามนารโดยไม เกดคลนทบรเวณผวฟลม (Laminar and
wave-free)
2. 30 ≤ Re ≤ 1800 จะเกดพฤตกรรมการไหลเปนแบบลามนารโดยเรมมการกอตัวของคลนทบรเวณ
ผวฟลม (Laminar ,wavy)
3. Re ≥ 1800 จะเกดพฤตกรรมการไหลเปนแบบปันปวน (Turbulent)
รปท 2 ลักษณะการไหลการควบแนนแบบฟลมบนพน ผวแนวดง
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
18/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-4-
2.2 การควบแนนแบบหยดบนพน ผวแนวดง (Dropwise condensation)
การควบแนนบนพนผ
 วแบบหยด (dropwise) ไอจะควบแนนเปนของเหลวและเกาะอยทพ นผวใน
รปของหยด โดยหากมของเหลวมาเกาะทพ นผวของของแขงมาก จะทาใหการถายเทความรอนไปเปนได
ยากเพราะมความตานทานการถายเทความร อนเพมข น การควบแนนแบบหยดจะเกดขนเม
 อคาแรงตงผว
ของของเหลวทกลัน ตัวมคา มากกวาแรงตงผวของพน ผวสัมผัส ซงตรงกันขามกับการควบแนนแบบฟลมท
พ นผวสัมผัสมแรงตงผวมากกวาของเหลวทกลัน ตัว ชนดวัสดทเกดการควบแนนแบบหยด ยกตัวอยางเชน
ทอง เทฟลอน หรอวัสดทมการเคลอบผวดวยสารกันความชน
ถงแมวาปรมาณการถายเทความรอนจากการกระบวนการแบบหยดมคา สงกวากระบวนการแบบ
ฟลมในปรมาณทสง มากประมาณ 10 เทา แตในความเป นจรงแลว คาความตานทานการถายเทความรอน
ในบางกรณ ยังคงม อ  ทธ พลมากกว าความร อ นท จะถา ยเทได จากการควบแนน แบบหยดมาก จง ไม
จาเปนตองทราบถงความสัมพันธของกระบวนการควบแนนเทาใดนัก
ความสัมพันธทใช ในการหาคาความรอนทถายเทจากการเกดการควบแนนแบบหยดคอ
22 C < Tsat < 100 C
(9)
h dc = 51,104 + 2044 Tsat
o
o
h dc = 255,510
100 C <
โดย heat transfer coefficient มหนวยเปน (W/m
2
o
Tsat
(10)
K)
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
19/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
5
. อปกรณ
การทดลองนจะใช
 ชด ทดลอง filmwise and dropwise condensation unit H90 ซงมสวนประกอบ
ตางๆ ดังรปท 3 ประกอบดวย
1. แทงโลหะทเกดการควบแนนแบบ filmwise
2. แทงโลหะทเกดการควบแนนแบบ dropwise
3. Baffle
ขดลวดใหความรอน
5. วาลวปลอยความดันใน chamber
 อปลอยนาใน
 chamber ออก
6. วาลวทใชสาหรับเตม นาหร
7. โรตามเตอรสาหรับปรับอั ตราเรวของนาฝั
 ง dropwise
8. โรตามเตอรสาหรับปรับอั ตราเรวของนาฝั
 ง filmwise
9. วาลวปรับความดั นใน chamber
4.
10. pressure gauge
สวทชเปด-ปดเครอง
12. ตัวปรับระดับการใหความรอนของขดลวดใหความรอน
13. หนอจอแสดงอณหภมทจด
 ตางๆ 7 จด ดังแสดงในแผนภาพรปท 3 ข.
11.
ก.
ข.
รปท 3 ชดเครองมอทดลอง filmwise and dropwise condensation unit
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
20/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
6
4.
ขันตอนการทดลอง
1. เปดสวตซเครองมอ แลวทาการตัง อณหภมใหความรอนกับนาในการต

มใหเดอด
2. รอจนกระทัง นา ทถกใหความรอนเดอดและควบแนนบนพนผ
 วโลหะ และจงปรับค าอัตราการ
ไหลของนาทั
 ง สองฝัง
3. รอจนระบบเขาสส
 ภาวะคงตัว คอคาอณหภมในตาแหนงตางๆ มคา คงท จดบันทกอณหภมทัง 7
ตาแหนง ตามตัวอยางตารางบันทกผลการทดลองดานลาง (ตารางท 1)
4. ทาการทดลองซา ในขอ 4-5 โดยการเปลยนคาอัตราการไหลของนาเป
 นคาตางๆ 4-5 คา
ตารางท 1 ตัวอยางตารางบันทกขอมลการทดลอง
P = bar
Fix flow rate cooling water ฝั งdrop = g/s
vary flow rate cooling water
ฝั งfilm(g/s)
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
Fix flow rate cooling water
ฝั งfilm
vary flow rate cooling water
ฝั งdrop(g/s)
T3
T4
T5
T6
T7
g/s
T1
T2
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
21/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
7
5. รายงานการทดลอง
ประกอบดวยหัวขอตางๆ ดังน 
5.1
การว1.เคราะห
ผลการทดลอง
แสดงความสั
มพันธระหวาง Heat
flux
และผลตางของอณหภม โดยใหอัตราการไหลของนา
หลอเยนคงทของ Filmwise และ Dropwise
 อเยน
2. แสดงความสัมพันธระหวาง คา Heat flux และอัตราการไหลของนาหล
3. แสดงความสั มพันธระหวางคาสั มประสทธการถายเทความรอนและอัตราการไหลของนาหล
 อ
เยนของ Filmwise และ Dropwise
4. เปรยบเทยบความสัมพันธของคาสัมประสทธการถายเทความรอนและคา Heat flux ระหวาง
Filmwise
5.2
กับ Dropwise
การคานวณ
1.
การหาคา heat transfer coefficient จากการทดลอง
Heat load = Q = WC p (T7 − T6 )
Heat transfer = Q = hA(Tsat − T5 )
ดังนัน จะได
WC p (T 7 - T 6 )/A = h(T sat - T 5 )
Y = mX
เมอ Y = WC (T - T )/A
p
7
6
, X = (T sat - T 5 )
และ m = h
การหาคา heat transfer coefficient จากการทดลองแบบเฉลยชดขอมล
ขอมลดบแตละคาจะได h 1 คาซง มวธ ในการหาคอ
Q/ A
เมอ Q / A คอ heat load
h=
2.
(Tsat − Ts )
.
heat transfer coefficient
3การค
การหาค
า
านวณสัมประสทธการถายเทความรจากทฤษฎ
อน โดยใช Nusselt’s Equation
Nu L =
hL L
kl
 ρ l g ( ρ l − ρ v )h 'fg L3 
= 0.943

 µ l k l (Tsat − Ts ) 
0.25
h fg = h fg + 0.68C p ,l (Tsat − Ts )
'
การคานวณหา Q จาก Newton’s law of cooling
Q = h L A(Tsat − Ts )
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
22/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
8
การคานวณหา mass flow rate เพอไปคานวณหา Reynold’s Number
=
m
Q
'
h fg
=
hL A(Tsat − Ts )
'
h fg
5.3 คาถาม
อธบายวธการทดลองและวัตถประสงควาเปนอยางไร
2. อธบายวธการคานวณทไดจากการทดลอง และผลทได
 มผลตอระบบอยางไร
3. อธบายอัตราการไหลของนาท
4. ไดอะไรจากการทดลองน
1.
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
23/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-1-
Unit Operation Laboratory III
Unsteady State Heat Conduction
Assistant Prof. Kasidit Nootong (Ph.D)
1. Objective
The objective of this experiment is to apply the concept of lump capacitance method
to calculate the heat transfer coefficient between solid and fluid interface.
2. Theory
Conduction is the energy transport from more energetic to less energetic particles of a
substance due to interactions between the particles. Conduction is a molecular process that
occurs in varied direction under steady or transient states. In this section, unsteady state heat
transfer is of focus.
Treatment of unsteady state heat transfer is complicate due to many
variables involved. In this laboratory, a transient heat conduction problem in which a solid
experiences a sudden change in its thermal environment is examined.
Figure 1. Lumped capacitance and cooling of a hot metal in liquid
Consider a hot metal object that is initially at uniform temperature T i and suddenly
quenched in liquid of lower temperature T a (i.e., T i > T a ).
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
Clearly, the unsteady state
24/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-2temperature profile will be a function of time and position (i.e., T = T(x,y,z,t)) and thus
solving for the actual expression is difficult.
However, solving process can be greatly
simplified by introducing a concept called lump capacitance, which indicates that the thermal
resistance in solid is negligible (i.e., temperature gradient within the solid is insignificant).
Note that the lump capacitance method only provides approximated solution. By neglecting
the temperature gradient in the solid, it is easy to approach this problem by formulating an
overall energy balance on the solid that is using the entire solid as control volume. This
energy balance relates the rate of heat loss at the solid-liquid surface to the rate of change of
internal energy. According to Figure 1, the energy balance can be written as:
(1)
where h = heat transfer coefficient, A s = area for heat transfer, V = volume of the object, C p =
heat capacity of the object, T = temperature of the object, and T a = ambient temperature.
Separating the variables of equation (1) and performing the integration to obtain the
temperature profile as a function of time only. Clearly, the solution of lump capacitance
method eliminates the variation of temperature in positions while maintaing the dynamic
variable. The solution of lump capacitance is:
T − Ta
Ti − Ta
=e
 hAs 
−
t
 ρVC p 


(2)
From equation (2), the differences between the solid and fluid temperatures decay
exponentially to zero as time approaches steady state condition (i.e., t approaching infinite) as
can be depicted in Figure 2. The quantity ρVC p /hA s may be interpreted as thermal time
constant (τ t ), which can be rearranged as follow.
τt
 1 
=
 ( ρVC p ) = Rt Ct
 hAs 
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
(3)
25/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-3-
Figure 2 - Lumped capacitance and cooling of a hot metal in liquid
In equation (3), R t is the resistance to convection heat transfer and C t is the lump
thermal capacitance of the solid. An increase of R t and C t results in a longer period for solid
to change temperature to its environment. The total energy transfer up to time t can be easily
determined according to:
t

Q = ∫ qdt = ρVC p (Ti − Ta )  1 − e

0

t
τt




(4)
To develop the criterion for using the lump capacitance method, let consider the following
dimensionless term.

 



hA t =  hV A   A kt  =  hV A   α t 
ρVC p
 k   ρV C p   k   (V A) 
2
s
2
2
(5)
Each bracket in equation (5) is dimensionless. The ratio, V/A = L c , is called the characteristic
length. The Biot number (Bi) is defined as:
(6)
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
26/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-4Biot number is the ratio of L c /k, the conductive thermal resistance in solid to 1/ h, the
convective thermal resistance in the surrounding.
The magnitude of Biot number has
physical significance in relating where the greater resistance to heat transfer occurs. Large
value of Biot number indicates that the conductive resistance controls the overall heat transfer
process, whereas small Biot number represents the case when internal resistance in solid is
insignificant.
A commonly used rule that the error associated with using the lumped
capacitance method is less than 5% is when the Biot number is smaller than 0.1. Evaluation
of Biot number should be the first step done when analyzing the unsteady state heat transfer
problem.
3. Equipment
The schematic drawing of the experimental set up can be referred to Figure 1. Metal
objects used in this experiment include spherical brass (diameter 10.3 cm), cylindrical brass
(diameter 7 cm, height 10.1 cm), hexagonal prism (side 4.4 cm height 10.1 cm) and
cylindrical aluminum (i.e. diameter 9.5 cm, height 10.1 cm). Each metal object is connected
with thermostat to measure temperatures inside the metal while water temperatures in the
cooling bath or heat bath are measured using regular thermometer.
Stopwatch is also
required.
4. Experimental Procedure
The goal is to obtain the temperature profile during the unsteady state heat transfer.
The experiment procedure can be simply stated as follows: metal object is submerged under
water in the relatively constant temperature ice or heat bath so that the temperature-time
profiles can be determined. Temperatures of the object and water surrounding are measured
periodically until the system reached the steady state.
5. Report Requirements
Report must follow strictly to the guidelines provided otherwise severe point
deduction will be applied. Please limit unnecessary information and make sure that you
sufficiently describe the experimental procedure and equipment so that the experiment can be
reproduced. Result and discussion sections may be combined. Present only important results
while experimental data are possible to be included in the appendix. Extremely careful to
yourself and your colleagues when handle hot or boiling water.
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
27/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-5In your report, design the experiment procedure to obtain the temperature profile during the
unsteady state heat transfer and calculate the heat transfer coefficient between metal surface
and surrounding. Discuss the following:
1. Effect of heating and cooling on the magnitude of heat transfer coefficient.
2. Effect of type and shape of the objects to the magnitude of heat transfer coefficient.
3. The magnitude of thermal resistance due to convection and conduction.
4. The validity of using the lumped capacitance method.
Reference
Incropera, F.P. and Dewitt, D.P. 1996. Fundamentals of heat and mass transfer. 4 th edition,
John Wiley & Sons, New York.
McCabe, W.L., Smith, J.C. and Harriott, P. 2005. Unit operations of chemical engineering.
7th edition, John Wiley & Sons, New York.
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
28/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-1-
คม อปฏบัตการ วชา Unit Operation Laboratory III
การทดลองการนาความรอนทสภาวะคงตัว
(Steady State Heat Conduction)
อ. ดร.ชตมณฑน สถรพพัฒนกล
น.ส. หทัยรัตน เมองแสน
1. วัตถ ประสงค
ตอนท 1 การนาความรอนในแนวแกน
1.
2.
ศกษาการนาความรอนในแนวแกนในหนง มตทสภาวะคงตัว
สามารถสรางกราฟอณหภม (temperature profile) และคานวณหาคาการนาความรอน
(thermal conductivity)
conduction
ได
สาหรับการนาความร อนในแนวแกน โดยใช Fourier’s
law of
ตอนท 2 การนาความรอนในแนวแกน ในตัวกลางชนดตางๆ
1.
2.
อธบายผลของความแตกตางของพนท
 หนาตัด และชนดวัสดของตัวกลาง ทมตอ การนาความ
รอนได
สามารถสรางกราฟอณหภม และคานวณหาสัมประสทธการถายเทความรอนรวม (overall
heat transfer efficiency, U) และความตานทานความรอน (thermal resistance) ของ
ตัวกลางชนดตางๆได
ตอนท 3 การนาความรอนในแนวรัศม
1.
2.
ศกษาการนาความรอนในแนวรัศมในหนง มตทสภาวะคงตัว
สามารถสรางกราฟอณหภม (temperature profile) และคานวณหาคาการนาความรอน
(thermal conductivity) สาหรับการนาความรอนในแนวรัศม โดยใช Fourier’s law of
conduction ได
2. ทฤษฎ
การนาความรอน (heat conduction) จัดเปนการถายเทความรอนชนดหนงทเกดในอนภาค หรอ
โมเลกลของตัวกลางอยก ับทซง อาจจะเปนของแขงหรอของไหล โดยสงผานพลังงานจากอนภาคของสารทม
พลังงานสงไปยังอนภาคทมพลังงานตากวาเมออนภาคมการสัมผัสกัน ซงเกดขนเน
 องจากความแตกตาง
ของอณหภม (temperature different) ดังนัน ความแตกตางของอณหภมจงเปนแรงขับเคลอน (driving
force) เพอใหเกด การถายเท ทศทางของการถายเทความร อนจะเกดข นในทางเดยวกับทศทางทอณหภม
temperature gradient)
ลดลง โดยอัตราการถายเทความรอนจะขนอย
 กับความลาดชันของอณหภม (
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
29/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-2-
หมายถง ความแตกตางของอณหภมตอหนวยความยาว หรออัตราการลดลงของอณหภมนั นเอง และ
ผลตางของอณหภมจะลดลงตามเวลา จะเขาสส มดลทางความรอนหากไมมแรงขับภายนอก
การนาความรอนในสภาวะคงตัว (steady state heat conduction) หมายถง การนาความร อนท
เกดขนเม
 ออณหภมทก ๆจดในวัตถไมเปลยนแปลงกับเวลา เนองจากวัตถไดรับการถายเทความรอนมาเปน
เวลานาน หรออาจเขยนอยในรปสมการไดวา ⁄ = 0 เราสามารถคานวณคาการถายเทความ
รอน (thermal conductivity) ในแนวแกนและแนวรัศมไดโดยอาศั ยความสัมพันธของปรมาณความรอนกับ
ความลาดชันของอณหภม ตามกฎของฟเรย (Fourier’s law) ซงแสดงการกระจายอณหภมในผนังราบเปน
แบบมตเดยว (one – dimensional temperature distribution) และหาคาสัมประสทธการถายเทความรอน
รวม (overall heat transfer coefficient) ของตัวนาชนดตางๆได
การถายเทความรอน คอ การสงผานพลังงานความรอนโดยอาศัยโมเลกลของตัวกลางทมก าร
สัมผัสกันโดยตรง ซง เกดขน โดยมความแตกตางของอณหภมเปนแรงขับเคลอน (driving force) ใหเกดการ
ถายเท ทศทางของการนาความรอนจะมทศออกจากบรเวณทมอณ
 หภมสง ไปยังบรเวณทมอณ
 หภมตากวา
ปรมาณของความรอนทเกดการถายโอนนัน มคาแปรผันกับคาความแตกตางของอณหภมในทศทางของการ
ถายความรอน ซง เปนไปตามกฎ Fourier’s law of conduction ดังน 
 = − ∇


∇
(1)
คอ ปรมาณความร อนทถา ยเทตอหนง หนวยพนท
  (heat flux), W·m−
คอ คาการนาความรอนของวัสด (thermal conductivity), W·m− ·K− ,
คอ ความลาดชันของอณหภม (temperature gradient), K·m− .
2
0
1
1
1
สาหรับการนาความรอนผานเนอวั
 สดในหนงมต แสดงในรปท 1 และสามารถประยกตกฎของฟ
เรยรได ดัง น 
 = −


http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
(2)
30/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-3-
รปท 1. การนาความรอนผานเนอวั
 ตถใน 1 มต
ในการนาความรอนผานผนังทอทรงกระบอก พจารณาทรงกระบอกกลวงดังรปท 2 ทมรัศมภายใน
เทากับ r รัศมภายนอกท อ r มความยาวของทอ L อณหภมภ ายในทอเทากับ T และอณหภมภ ายนอกทอ
ทรงกระบอกเทากับ T สาหรับการพ จารณาการถายโอนความรอนผานทรงกระบอกตามแนวรัศม ภายใต
สมมตฐานทวาคาการนาความรอนของวัสดทใช ทาทอมคา คงทไมเปลยนแปลงตามอณหภม
สมการทใชกับการถายโอนความรอนแบบนาผานผวทอทรงกระบอก เมอประยก ตจากกฎของฟ
เรยร คอ
i
o
i
o
 = −


(3)
รปท 2. ภาพตัดขวางการถายโอนความรอนแบบนาผานผวทอทรงกระบอก
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
31/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-4-
คาการนาความรอน (Thermal Conductivity) เปนคาทแสดงความสามารถในการนา ความร อนตอ
หนงหนวยความยาว ซง เปนคณสมบัตเฉพาะของวัสดตัวนาตางๆ ตัวอยางของคาคงทการนาความร อนของ
วัสดตางๆ แสดงไวในตารางท 1
ตารางท 1 แสดงคาการนาความรอนของวัสดชนดตางๆ
Thermal conductivity
Material
(W·m ·K )
1
Diamond
1000
Silver
406.0
Copper
385.0
Gold
314
Brass
109.0
Aluminum
205.0
Iron
79.5
Steel
50.2
Lead
34.7
Mercury
8.3
Ice
1.6
Glass,ordinary
0.8
Concrete
0.8
Water at 20° C
0.6
1
3. อ1.ปกรณ
แทงโลหะ แบงเปน (รปท 3 ก.)
แทงโลหะทรงกระบอก
แผนโลหะแบบจานแบน
ตัวกลางทองเหลอง และตัวกลางอลมเ นยม
2. เครองจายกระแสไฟฟ า (รปท 3 ข.)
3. มัลตมเตอร (รปท 3 ค.)
•
•
•
4.
เครองวัดความตางศักย ( รปท 3 ง.)
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
32/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-5-
5.
เครองวัดอณหภม (รปท 3 จ.)
ก.
ข.
ค.
ง.
จ.
รปท 3. อปกรณทใ ช ในการทดลอง
4. วธการทดลอง
ตอนท1 การนาความรอนในแนวแกน
ศกษาการนาความรอนผานแทงโลหะทรงกระบอก โดยไมมการใสตัวกลางคัน ทาการปรับ คา
ศักยไฟฟ าจากแหลงจายทคาตางๆ และวัดอณหภมของแทงโลหะเมอเรมคงท บันทกคาความ ตางศักย
กระแสไฟ และอณหภมทไ ดตามระยะทาง จานวน 6 ตาแหนง
ตอนท 2 การนาความรอนในแนวแกน ในตัวกลางชนดตางๆ
ศกษาการนาความรอนผานแทงโลหะทรงกระบอกตามแนวแกนโดยการใสตัวกลางทม ขนาดและ
ชนดตางกันคัน ภายใน คอ แทงทองเหลอ 2 ขนาด และแทง Stainless steel 1 ขนาด และทาการปรับค า
ศักยไฟฟ าจากแหลงจายทคาตางๆ และวัดอณหภมของแทงโลหะเมอเรมคงท ทาการบันทกคาความตาง
ศักย กระแสไฟ และอณหภมทไ ดตามระยะทาง จานวน 6 ตาแหนง
ตอนท 3 การนาความรอนในแนวรัศม
ศกษาการนาความรอนผานแทงโลหะทรงกระบอกตามแนวรัศมโดยไมใสตัวกลาง ทาการ ปรับค า
ศักยไฟฟ าจากแหลงจายททคา ตางๆ และวัดอณหภมข องแทงโลหะเมอเรมคงท ทาการ บันทกคาความตาง
ศักย กระแสไฟ และอณหภมท ไดตามระยะทาง จานวน 3 ตาแหนง
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
33/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-6-
5. รายงานการทดลอง
ประกอบดวยหัวขอตางๆ ดังน 
5.1
เคราะห
ผลการทดลองและการคานวณ
ตอนทการว
 1 และ
3
•
•
นาขอมลอณหภมทจ ด ตา งๆ มาสร างกราฟ temperature profile และค านวณค า
conductivity พรอมทัง อธบายกราฟ temperature profile และคา conductivity ทได
อธบายความแตกตางระหวางการนาความร อนตามแนวแกนและแนวรัศมจากผลการทดลอง
ทได
ตอนท 2
•
นาขอมลอณหภมทจด ตางๆ มาสร างกราฟ temperature profile และคานวณคา สัมประสทธ
การถายเทความรอนรวม (Overall heat transfer coefficient , U) ของตัวกลางจากสมการ
 =  ( −  )
•
อธบายความแตกตางของคา U ของตัวกลางแตละชนด และการคานวณหาคา
conductivity และthermal resistant
(4)
thermal
5.2 คาถาม
สาเหตการคลาดเคลอนในการหาคา Thermal conductivity มกประการ และมวธ การแกไขอยางไร
2. จงการออกแบบการทดลองเพมเตมสาหรับช ดอปกรณทดลองการนาความรอน นอกเหนอจากการ
ทดลองในครัง น 
1.
เอกสารอางอง
- Frank P. Incropera, David P. DeWitt. “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”. 4th edition.
John Wiley&Sons.
- http://www.engineeringtoolbox.com
- http://pioneer.netserv.chula.ac.th/~sjessada/heat_cond.pdf
- http://lms.eng.cmu.ac.th/lms/files/resources_files/8191/lab_8_thermal_conductivity_.pdf
- http://ajutarut.files.wordpress.com/2012/08/conduction-heat-transfer.pdf
- http://ajutarut.files.wordpress.com/2012/08/chapter-2-steady-heat-conduction1.pdf
- http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conduction
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
34/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-1-
Unit Operation Laboratory III
Evaporators
Assoc. Prof. Sriroong Prichanont
Chidchanok Amornpanpong
1. Objectives
First week:
1. Learn how to operate the evaporators (including the start-up and shut-down
procedures) under single-effect and double-effect operations. Draw the process flow diagram.
2. Investigate the effect of feed flow rate on the performance (capacity), product
concentration and overall heat-transfer coefficients of the single-effect evaporator through
mass and energy balances. (The feed is an aqueous solution of 0.05 M CuSO 4 , and should be
varied for at least three flow rates)
Second week:
1. Investigate the effect of feed flow rate on the performance (capacity), product
concentration and overall heat-transfer coefficients of the double-effect evaporators through
mass and energy balances using the same feed concentrations and flow values as of the first
week.
2. In case that the performance evaluation is not possible due to some limitations,
discuss the problems occur and suggest process improvement for solving the existing
limitations.
2. Theory
The purpose of the evaporator is the formation of a more concentrated solution from a
dilute feed.
2.1 Single Effect Evaporator (See Fig.1)
The dilute feed is boiled to evaporate water off by applying pressurized hot water as a
heating medium in the jacket of the first effect. The feed and pressurized hot water are fed at
the bottom of the first effect as co-current flow. The vapor and liquid products from the first
effect are located in the liquid/vapour cyclone separator, and are in equilibrium therefore
sharing equal outlet temperatures. The vapor from the first effect is sent to the condenser and
condensed by cooling water. The concentrated product from the first effect is the final
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
35/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-2-
product and is sent to the first effect product tank. During the case study the volumetric flow
rates of the feed and product liquid are recorded. The effect pressure and temperature at any
position are known. These data are utilized to calculate the overall heat transfer.
Figure 1. Evaporation process flow diagram for a single effect evaporator
An overall mass balance for the single effect evaporator:
F 1 = L1 + V 1
(1)
Where F 1 = feed to the first effect (g/min)
L 1 = concentrated liquid from the first effect (g/min)
V 1 = vapour from the first effect (g/min)
The conservation of CuSO 4 is used to calculate the concentrated liquid from the first
effect
F 1 C F1 = L1 C L1 + V 1 (0)
(2)
Where C F1 = concentration of CuSO 4 in feed (%wt)
C L1 = concentration of CuSO 4 in first effect product (%wt)
Rearranging gives
C L1 = F 1 C F1 /L 1
An energy balance (for heating by hot water) for the single effect evaporator:
F 1 H L @ T4 + FPHW,in H L @ T12 = L 1 H L @ T6 + V 1 H V @ T6 + F PHW,out H L @ T11
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
(3)
36/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-3-
Where F PHW,in = inlet Pressurized hot water mass flow rate (g/min)
F PHW,out = outlet Pressurized hot water mass flow rate (g/min)
H L = Enthalpy of liquid (J/g)
H = Enthalpy of vapor (J/g)
V
The amount of heat transferred to the solution in the first effect
Q = F 1 C p (T 6 – T4 ) + V 1 L V
(4)
@ T6
Where C p = Heat capacity of the feed (kJ/kg K)
T 6 = first effect outlet temperature of the solution ( C)
๐
๐
T4
= first effect feed temperature of the solution ( C)
L V = latent heat of evaporation (J/g)
The amount of heat transfer rate which is used to solve the overall heat transfer
coefficient
Heat Transfer Rate:
Q = UAΔT LMTD
(5)
Where U = the overall heat transfer coefficient (W/m2 K)
m2)
A = the surface area for heat transfer (the area of the evaporator tube = 0.0256
ΔT LMTD = log-mean temperature difference
The heat transfer rate in the first effect:
Q 1 = U 1 A 1 ΔT LMTD1
(co-current)
(6)
2.2 Double Effect Evaporator (See Fig.2)
The concentrated product from the first effect is fed to the bottom of the second effect
to evaporate more water. The vapor from the first effect is applied as a heating medium to the
jacket of the second effect at the top. The heating medium is counter-current flow with the
feed of the second effect. Vacuum is applied for the second effect to reduce the boiling point
of the feed. The vapor and liquid products from the second effect are located in the
liquid/vapour cyclone separator, and are in equilibrium therefore sharing equal outlet
temperatures. The vapor from the second effect is sent to the condenser and condensed by
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
37/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-4-
cooling water. The concentrated product from the second effect is the final product and is
sent to the second effect product tank.
Figure 2. Evaporation process flow diagram for a double effect evaporator
An overall mass balance for the second effect evaporator:
F 2 = L2 + V2
(7)
Where F 2 = feed to the second effect (g/min)
L 2 = concentrated liquid from the second effect (g/min)
V 2 = vapour from the second effect (g/min)
The conservation of CuSO 4 is used to calculate the concentrated liquid from the
second effect
F 2 C F2 = L 2 C L2 + V 2 (0)
(8)
Where C F2 = concentration of CuSO 4 in feed to the second effect (%wt)
C L2 = concentration of CuSO 4 in second effect product (%wt)
Rearranging gives
C L2 = F 2 C F2 /L 2
An energy balance for the double effect evaporator:
F 1 H L @ T4 + FPHW,in H L @ T12 = L 2 H L @ T7 + V 2 H V @ T7 + F PHW,out H L @ T11
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
(9)
38/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-5-
An energy balance for the second effect evaporator:
F 2 H L @ T5 + V 1 H V @ T6 = L 2 H L @ T7 + V 2 H V @ T7 + V 1 H L @ unknown T
(10)
The amount of heat transferred to the solution in the second effect
Q = F 2 C p (T 7 – T5 ) + V 2 L V
(11)
@ T7
where C p = Heat capacity of the feed (J/g K)
T 7 = second effect outlet temperature of the solution ( C)
๐
๐
T5
= second effect feed temperature of the solution ( C)
L V = latent heat of evaporation (J/g)
The heat transfer rate in the first effect:
Q 1 = U 1 A 1 ΔT LMTD1
(co-current)
The heat transfer rate in the second effect:
Q 2 = U 2 A 2 ΔT LMTD2
(counter-current)
(12)
Key to configuration Evaporation process flow diagram
T3
2nd effect product temperature ( C)
1 effect recirculating pump
T4
1 effect feed temperature ( C)
P3
2n effect recirculating pump
T5
2 effect feed temperature ( C)
P
System pressure
T6
1 effect cyclone temperature ( C)
C1
Feed Conductivity (mS)
T7
2 effect cyclone temperature ( C)
C2
1st effect product Conductivity (mS)
T8
Condensate temperature at condenser exit ( C)
C3
2 effect product Conductivity (mS)
T9
Condenser cooling water outlet temperature ( C)
F1
F2
1st effect feed flow rate
nd
2 effect feed flow rate
T10
Condenser cooling water inlet temperature ( C)
L1
1st effect product flow rate
T11
Heating medium outlet temperature ( C)
L2
2 effect product flow rate
T12
Heating medium inlet temperature ( C)
V1
1 effect condensate flow rate
V2
2 effect condensate flow rate
Fcw
Cooling water flow rate
T1
Feed temperature after pre-heat ( C)
T2
1 effect product temperature ( C)
P1
Feed pump
P2
st
n
nd
๐
st
n
st
nd
๐
๐
๐
๐
๐
๐
๐
๐
๐
st
nd
๐
st
๐
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
39/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-6-
2.3 Performance measure
One of the important performance measures of an evaporator is the amount of vapour
which the evaporator can evaporate per time, called capacity.
Capacity = kg vaporized / time
(13)
2.4 Overall heat transfer coefficient
The overall heat transfer coefficient, U, will depend on the individual film coefficients
for heat transfer:
•
From heating medium flowing through the outside of the evaporator tube or in
jacket, h o
•
By conduction through the metal wall of the evaporator tube, k W
•
To heating the solution flowing through the inside of the evaporator tube, h i
The relationship between individual film and overall coefficients is given by:
UA =
1
Where
∑
1
(14)
∑
 −
1
= ℎ  +    + ℎ 
,
 
r i = inside radius of the metal tube
r o = outside radius of the metal tube
A i = inside area of the metal tube
A o = outside area of the metal tube
A w,lm = log mean area of the metal tube
3. Equipment
This experiment uses the UOP20X Modular Evaporator Series of Armfield (see Fig.38) to study the principle and procedure of the evaporators. This model of operation is carried
out using evaporator module UOP22-11 in first position and UOP22-22 in second position.
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
40/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-7-
Figure 3. Overview of the equipment units
Figure 5. Detail of the right side
Figure 4. Feed preheater
Figure 6. Detail of the left side
of the evaporator
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
of the evaporator
41/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
8
Figure 7. Location of valves on equipment
Key to valves
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
42/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
9
Figure 8. Control console front panel
Key to Control console front panel
C1
Opening door
C17
Preheater ON/OFF switch
C2
Door catches
C18
Feed pump potentiometer
C3
RCD (Residual Current Device
C19
Re-circulation pump1 potentiometer
C4
Control circuit breaker
C20
Re-circulation pump2 potentiometer
C5
Vacuum pump circuit breaker
C25
The digital display of the cooling water flow
C6
Preheater circuit breaker
C7
Pressurized hot water circuit breaker
C26
Emergency stop button
C8
Pressurized hot water pump circuit breaker
C30
Pressurized hot water temperature controller
C9
The digital display of temperature
C31
Pressurized hot water ON/OFF switch
C10
Temperature selector switch
C32
Pressure of pressurized hot water in the
C11
The digital display of conductivity
circulator reservoir indicator lamp (red when
(milliSiemens)
the pressure rise above 6 bar, but the pump
C12
Conductivity selector switch
will continue to run)
C13
The digital display of system pressure (mbar) C33
Level of pressurized hot water in the circulator
C14
The operating mode of control selector switch
reservoir indicator lamp (red when it is empty
C15
C16
Remote/computer control indicator lamp
Feed preheater temperature controller
or too little water)
rate
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
43/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
10
4. Experimental procedure
4.1 Start-up procedure
Carry out the following steps, IN THE ORDER given
On the control console check the following:
•
The residual Current Device (C3) is in the UP position.
•
Miniature circuit breakers (C4)-(C8) are OFF (in the DOWN position).
•
Switch (C14) is set to LOCAL CONSOLE.
•
Potentiometers (C18)-(C20) are all set to zero.
•
Switch (C17), which controls the preheat water circulator, is set to OFF.
•
Switch (C31), which controls the pressurized hot water circulator is OFF.
Switch on the circuit breakers (C4), (C6), (C7) and (C8) in that order. The displays on
the console will illuminate.
Manual Control:
Adjust the set point of the pressurized hot water circulator temperature controller to
125 C, and then turn on the circulator using switch (C31).
๐
Water will begin circulating through the jacket of the first effect evaporator, and the
temperature of the water entering and leaving the evaporator can be observed with
temperature selector switch (C10) in the (T11) and (T12) positions (It will take at least 15
minutes for the water to get up to 125 C)
๐
It is advisable to wait until the water temperature is approximately 90 C before
๐
beginning to pump the feed solution to the evaporator via the feed preheater. Start the feed
pump (P1) by turning the feed pump variable speed control (C18) to 30% (3.0 on the dial).
Now adjust the set point of the feed pre-heater temperature controller (C16) to 70 C,
๐
and turn on the pre-heater water circulator (switch (C17) to the ON position).
CAUTION: The temperature of the pre-heater circulator will NOT be regulated
unless the feed solution is being pumped.
4.2 Shut-down procedure
Carry out the following steps, IN THE ORDER given
•
Switch valve (V1) to feed de-ionised water from tank (7) to the evaporator
module(s).
•
Pump de-ionised water through the equipment until all copper sulphate has been
flushed from the process.
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
44/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
11
•
If the vacuum pump is running, slowly open needle valve (V8) to let air into the
system. When valve (V8) is fully open and the pressure reading has stabilized,
then turn OFF miniature circuit breaker (C5) on the Control Console.
Manual Control:
Switch off the pump and heater elements of the pressurized hot water circulator
•
by turning OFF switch (C31).
•
Switch OFF the pre-heater circulator pump by setting switch (C17) to OFF.
•
Wait until the temperature of the feed entering the first evaporator module is less
than 65 C, and then turn off the process pumps by setting controls (18), (19), and
๐
(20) to zero.
•
•
Shut off the cold water supply and THEN close valve (V16) to turn off the
cooling water to the condenser
Switch all miniature circuit breakers which are ON to the OFF (i.e. DOWN)
position.
•
Turn OFF (and if permitted, disconnect) the mains electricity supply.
4.3 Single Effect Evaporator
This module of operation is carried out using evaporator module UOP22-11 in first
position (for rising film evaporation)
Figure 9. Single Effect – Rising Film
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
45/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
12
The process piping should be arranged as in the diagram below with valves (V2),
(V4), (V6), (V8), (V12), (V14), and (V16) OPEN and valves (V3), (V7), (V9), (V10), (V11),
(V13), (V15), (V18), (V19), (V20), and (V21) CLOSED. The three-way valves (V1) should
be arranged to feed from the water tank, three-way valves (V17) arranged as shown so that
the condensate is directed into tank (10), and three-way valves (V5) arranged to direct vapour
to the condenser.
Method
•
Charge the solution feed tank (8) with 7 litres of 0.05M copper sulphate solution.
•
Charge the water feed tank (7) with 5 litres of de-ionised water.
•
Carry out the Start-up Procedure.
•
The feed water will be pumped through the heat exchanger and pre-heated before
passing through valve (V2) and entering the evaporator. The feed will be further
heated in the evaporator tube before entering the liquid/vapour cyclone separator.
The temperature of the feed input, measured by temperature sensor (T1), will rise
and eventually becoming stable at set point.
•
At atmospheric pressure the feed, both in the evaporator tube and entering the
cyclone separator, will not begin to boil until the temperature approached 100 C,
๐
as measured by sensor (T6). When this happens, the water vapour produced will
be separated from the liquid in the cyclone separator and pass through valve (V4)
to the condenser. Adjust valve (V18) to keep the cyclone approximately half full
of liquid.
•
Once vapour production has begun, turn on the cooling water to circulate through
the condenser at a rate of 5 litres/min. This flowrate can be increased if it is
observed that not all of the vapour produced is being condensed (dependent on
the cooling water temperature).
•
At this point, water will be flowing from the cyclone separator to the concentrate
collecting tank (9), and condensate from the condenser will be flowing to the
condensate collecting tank (10).
•
Switch the valve (V1) to feed copper sulphate solution to the evaporator.
•
The process should be allowed to achieve steady state, which will take
approximately 15 minutes, before taking any readings.
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
46/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
13
•
Once all readings have been taken the equipment may be shut down using the
Shut Down Procedure.
4.4 Double Effect Evaporator
This mode of operation is carried out using evaporator module UOP22-11 in first
position with UOP22-22 in second position (for rising film evaporation)
Figure 10. Double Effect - Forward Feed
The pressurised hot water circulator provides the heating medium for the first effect
evaporator module, while vapour drawn from the first effect cyclone separator is used to
provide the heating medium for the second effect evaporator.
Feed to the second effect will be pumped by the second effect re-circulating pump
(P3). In addition pump (P3) also acts to isolate the vacuum present within the second effect
from the first effect evaporator which operates at atmospheric pressure.
The process piping should be arranged as in the diagram with valves (V2), (V7), (V8),
(V12), (V14), (V16), (V18) and (V20) OPEN and valves (V3), (V4), (V6), (V9), (V10),
(V11), (V13), (V15) and (V21) CLOSED. The three-way valve (V1) should be arranged to
feed from the water tank, , three-way valves (V17) arranged as shown so that the condensate
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
47/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
14
is directed into tank (10), and three-way valve (V5) arranged as arranged to direct vapour to
the second position module.
Method
•
•
Charge the solution feed tank (8) with 7 litres of 0.05M copper sulphate solution.
Charge the water feed tank (7) with 5 litres of de-ionised water.
•
Carry out the Start-up Procedure, and switch on the circuit breakers (C5).
•
The feed water will be pumped through the heat exchanger and pre-heated before
passing through valve (V2) and entering the first effect evaporator. The feed will
be further heated in the evaporator tube before entering the liquid/vapour cyclone
separator. The temperature of the feed input, measured by temperature sensor
(T1), will rise an eventually becoming stable at the set point.
•
When solution begins to overflow the first effect cyclone, start the second effect
feed pump (P3) and adjust the speed (using control (C20)) so that solution is fed
into the second effect at such a rate that a level is maintained in the first effect
separator. This will require careful monitoring until the whole system reaches
steady state.
•
At atmospheric pressure the feed in the first effect module, both in the evaporator
tube and entering the cyclone separator, will not begin to boil until the
temperature approaches 100 C, as measured by sensor (T6). When the boiling
๐
point is reached, the water vapour produced will be separated from the liquid in
the first effect cyclone separator and pass through valve (V5) to the jacket of the
second effect evaporator. As the steel pipework warms up there will be some
condensation within the pipework, which can be disposed of by occasionally
opening (V4) for a few seconds to allow this liquid to drain through the
condenser. CAUTION – DO NOT open valve (V4) after the vacuum pump has
been turned on and the second effect module is operating at reduced pressure.
•
Surplus vapour and condensate emerging from the bottom of the heating jacket of
the second effect evaporator tube is collected in a suitable container (e.g. bucket).
•
Once vapour production has begun, carefully adjust valve (V18) and (V19) on the
rotameters, to keep the cyclones approximately half full of liquid. Turn on the
cooling water to circulate through the condenser at a rate of 5 litres/min. This
flowrate can be increased if it is observed that not all of the vapour produced is
being condensed (dependent on the cooling water temperature).
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
48/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
15
•
Because, in this mode of operation, the temperature of vapour in the jacket of the
second effect cannot exceed 100 C, the second effect evaporator is normally
operated under vacuum.
•
Gradually, over about 15 minutes, the first effect process will reach steady state
and the second effect process a short time later. Steady state is achieved when all
flows, temperatures pressures and conductivities have stabilized.
•
At this point, water will be flowing from the first effect cyclone to the second
effect evaporator, then into the second effect cyclone, and finally to the
concentrate collecting tank (11). Vapour from the first effect evaporator will be
heating the evaporator tube of the second effect process, while vapour from the
second effect cyclone, after being condensed in the condenser, will be flowing to
the condensate collecting tank (10).
•
Switch the valve (V1) to the feed copper sulphate solution to the evaporator, and
allow the system to regain the steady state before taking any required readings.
•
Once all readings have been taken the equipment may be shut down using the
Shut-down Procedure.
4.5 Special precautions
The major potential hazards associated with this particular equipment are listed
below.
•
Injury through misuse
•
Injury from electric shock
•
Burns from components at high temperatures
•
Scalding from boiling liquids or hot vapors ( e.g. Steam)
•
Damage to clothing
•
Risk of infection through lack of cleanliness
To give increased operator protection, a Residual Current Device (RCD, alternatively
called an Earth Leakage Circuit Breaker, ELCB, or a Residual Current Circuit Breaker,
RCCB) is integrated as an integral part of this equipment. If, through misuse or accident, the
equipment becomes electrically dangerous, an RCD will switch off the electrical supply and
reduce the severity of any electric shock received by an operator to level which, under normal
circumstances, will not cause injury to that person.
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
49/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
16
To check that the RCD is operating correctly by pressing the TEST button, the circuit
breaker MUST trip when the button is pressed.
5. Data analysis
Measurement of concentration
The electrical conductivity of copper sulphate solution is dependent on both its
concentration and its temperature. Thus by measuring the conductivity and the temperature of
a sample, its concentration can be deduced.
where C = concentration of copper sulphate solution (%wt)
γ = conductivity of copper sulphate solution (mS/cm)
T = temperature of copper sulphate solution ( C)
๐
γ = conductivity of copper sulphate solution (mS)
References
Armfield. UOP20X Modular Evaporator Series. Engineering Teaching Equipment Discover with Armfield.
Source: http://www.discoverarmfield.com/data/uop20/
Christie J.G. Evaporation. Transport Processes and separation Process Principles (Includes
Unit Operations),
4th ed. Prentice Hall Professional Technical Reference, 2003.
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
50/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
–1–
คม อปฏบัตการ วชา Unit Operation Laboratory III
Process Plant Control
ผศ. ดร.อมรชัย อาภรณวชานพ
1.
นายกฤษณพล เสกภเขยว
วัตถ ประสงค
ศกษาความสัมพันธระหวางการเปลยนแปลงของอณหภมของกระแสเยน (T4) กับเวลา และการ
เปลยนแปลงของความเรวปัมน ารอน (N2) กับเวลา เมอฟังกชันการทางานเปนแบบ step change
2. หาคา dead time and process time (t) เมอฟังกชันการทางานเปนแบบ step change
3. หาคา 1st order transfer function เมอฟังกชันการทางานเปนแบบ step change
1.
2.
ทฤษฎทเ กยวของ
กระบวนการทางวศวกรรมเคมหลายกระบวนการมั กมรปแบบทเป นระบบสมการกา ลังหน ง หรอ (first
order system)
t
dy
dt
โดย
t
K
y
x
+
y
=
Kx
(1)
คอ คาคงทในกระบวนการ (process time constant) มหนวยเปนเวลา
คอ process gain มหนวยเปน output/input
คอ ตัวแปรขาออก (output variable)
คอ ตัวแปรขาเข า (input variable)
แกสมการดวยว ธการแปลงลาปลาส จะได สมการ first order transfer function
y ( s)
K
=
t
x( s)
(2)
s +1
โดย s คอ ตัวแปรแทนเวลาของ Laplace transform
การตอบสนองแบบหนวงเวลา
สมการท  อธบายการตอบสนองของตัวแปรตามซง เรมเปลยนแปลง ณ เวลา t =  (เรม
เปลยนแปลงทันททต ัวแปรตนเรมเปลยนแปลง) อยางไรกตาม ในระบบสวนมาก การเปลยนแปลงคาของ
ตัวแปรตนไมไดมผลตอตัวแปรตามในทันท เชน การเปลยนแปลงอณหภมของนา ทปลายขาเข าของสาย
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
51/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
–2–
ยาง ตองใชเวลาระยะหนง กอนจะเหนผลทปลายดา นออกของสายยาง ยงสายยางมความยาวมากเทาใด
เวลาทตองใชกจะมากตามไปดวย
ในการตอบสนองของระบบอยางเชนในตัวอยางเรยกไดวา เกดการหนวงเวลา(lag-time / deadขนการหนวงเวลาของสมการอนพันธอันดั บหนง โดยทั วไป มักมสง ผลออกมาในร ป Laplace
transform ของสมการดัง น 
time)
y ( s)
=
Ke
− st0
(3)
x( s)
s +1
t
สาหรับผลกระทบจากการหนวงเวลา สมการตอบสนองของระบบทมรปแบบการเปลยนแปลงตัวแปรขาเขา
ทพบมาก ไดแ กการเปลยนแปลงของตัวแปรตนแบบขัน บันได (step input) และ แบบเสนตรงลาด (ramp
input)
ในการทดลองนจะเป
 นศกษาการเปลยนแปลงแบบขัน บันได
การเปลยนแปลงของตัวแปรตนแบบขัน บันได (Step Input)
ลักษณะหนงของกระบวนการทางอตสาหกรรมคอ อาจมการเปลยนคา input อยางฉับพลัน
เชน อาจมการเปลยนแปลงสารตัง ตนทปอนเขาสเครองปฏกรณ ทาใหคา ตัวแปรตางๆในสายขาเขามการ
เปลยนแปลงตามไปดวย เชน ความเข มข น อณหภม ของสารตัง ตนขาเขา เราสามารถประมาณคาการ
เปลยนแปลงเหลานไ ดดวย “step change” x(t ) ดัง น 
x(t )
<0
t≥0
0
=
M
t
โดย t = 0 คอเวลาทตัวแปรมการเปลยนแปลงไปเป นขนาด อยางฉับพลันไปเปนอกคาหนง ( M )
และเมอใชวธ การแปลงลาปลาสจะได
x( s)
=
M
(4)
s
สาหรับ step input เมอแทนสมการ (4) ลงใน (2) จะได
y ( s)
=
y (t )
=
KM
(5)
s (t s + 1)
และเมอแปลงอนเวอรสลาปลาส จะได
−t
KM (1 − e )
t
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
(6)
52/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
–3–
อยางไรกตาม บอยครังทเมอม การเปลยนแปลง input แต output ไมไดเปลยนโดยทันท ชวงเวลาท
แตกตางนเร ยกวา dead time หรอ time delay ดังรปท 2 นัน คอ ทเวลา t = 0 คอเวลาทเรมเปลยนแปลง
input และ ทเวลา t = t คอเวลาท output เรมเปลยนแปลงซง เปนจากการเปลยนแปลงของ input
0
รปท 1 แสดง First-order step response with time delay
dead time
ซง หากคดผลของ
ดวย จะทาให สมการการตอบสนองเปลยนแปลงไป ดัง น 
y (t )
=
K ∆M (1 − e
− ( t −t0 )/ t
)u (t − t0 )
(7)
3. อปกรณก ารทดลอง
อปกรณการทดลอง แสดงดังรปท 2 ประกอบดวย
1. ถัง นา A และ B (แตในการทดลองนจะใช
 งานเพยงแตถัง A เทานัน )
2. heat exchanger
3.
boiler
4. feed pump
และ water
pump
ทาหนาทปั มนา รอนและนาเย
 นเขาส Heat
exchanger
ตามลาดับ
5. เทอรโมมเตอรวัดอณหภม 4 จด
ชดการทดลองนม หลักการทางานคอ นาเยนจากถัง A จะถกปั มเขาส heat exchanger ใน
ขณะเดยวกันนา ร อนจาก boiler ทอยอกดานหนงกจะถกปัม เข าส heat exchanger เชนกัน ดังนัน จงมการ
แลกเปลยนความร อนเกดขนท heat exchange ในการทดลองนนสตจะตองทาการปรับเปล ยนความเรว
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
53/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
–4–
ของนาร อนทเขาส heat exchanger เพอศกษาการตอบสนองของ output (อณหภมของนา ทจดตางๆ)
เมอ input (ความเรวของการป อนนารอนเขาส heat exchanger) เปลยนแปลงไป นสตสามารถเกบขอมล
อณหภมท ต า แหนงตางๆ ไดดวย software ททาการบันทกผลโดยอัตโนมัต
Tank A
Tank B
Boiler
Water Pump
Heat Exchanger
Feed Pump
รปท 2 แผนภาพแสดงอปกรณการทดลอง
4. ขันตอนการทดลอง
1.
2.
3.
4.
ทดสอบการทางานของ breaker ทตัวอปกรณ โดยกดปมทดสอบ breaker ทดานหลังเครอง ถ า
breaker ตัด จงทาการทดลองขัน ตอไป ถา breaker ไมตัด ใหแจงผควบคม หามทาการทดลองตอ
โดยเด
ตังการทดขาด
างานของอปกรณในโหมด MANUAL ปด FEED PUMP, WATER PUMP, และ HEATER
POWER จากนัน
 สับ breaker และเป ดสวตชหนาเครอง
ตรวจดวา ไฟสถานะ LOW LEVEL ตดอยห รอไม ถาตดอยใ หเตม นา ในถังตมนา โดยตอสาย
 าท
 วมสงกวาขด
DRAIN ในชองดานบนของถังตม ตัง
SOL3 ท COOL แลวเปดนาจนน
ลวดความรอนอยางนอย 10 mm
ตังคาตางๆ ดัง น 
4.1.
ตัง SOL1 ท NORMAL
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
54/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
–5–
ตัง SOL2 ท FEED A
4.3. ตัง SOL3 ท STOP
4.4. ตัง SOL4 ท FILL A แลวเปดวาลวเพอเตม นา ในถัง A จนมระดับประมาณ 150 mm
4.2.
4.5. ตัง SOL5 ท STOP
4.6. ตอสาย PRODUCT ลงในถัง B
4.7. ตอสาย DIVERT ลงในถัง B
4.8. ตอสาย DRAIN ลงดานบนของหมอตม
4.9. เปดวาลวนา ทง ของถัง B
4.10. ตังความเรวของ FEED PUMP ท 6.0 แลวเป ดสวตช FEED PUMP
4.11. ตังความเรวของ WATER PUMP ท 6.0 แลวเป ดสวตช WATER PUMP
4.12. ตัง HEATER POWER ท 1.0 แลวเปดสวตช HEATER POWER
5. เปดวาลวนา เขาถัง A และดแลใหมนา อยในถัง A อยเสมอ แตอยาใหนาล
 นถัง A ดวย
6. เปดคอมพวเตอรและโปรแกรมเพ อเชอมตอกับชดอปกรณทดลอง โดยสามารถศกษาวธการใชงาน
software ไดในหัวขอท . การใชงาน Software เพอการบันทกผลการทดลอง
7. เกบขอมลอณหภมข องสายป อน (T1), อณหภมในถังตมนา (T2), อณหภมของสายผลตภัณฑ
(T3), และอัตราการไหลสายป อน (F1) ไปเรอยจนคาตางๆ คงท
8.
FEED PUMP
2.0
เปล
และ ตามล
างๆ ตามขอ 7
คงทยเสนคยกาอนจงปรับคาครัง ไปท
ตอไป 8.0,
ทัง น6.0,
ให
 ปล4.0,
อยโปรแกรมให
เกบขาอดัมบลตโดยรอจนค
อเนองไปเราอตยๆ
5. การใชงาน Software เพอการบันทกขอมลจากการทดลอง
เขา program PCT23 Process Trainer เลอกโหมด A – Manual Control แลวกด Load
2. เมอต องการเรมบันทกผลการทดลองใหกด Go ท menu bar โปรแกรมจะทาการบันทกผลโดย
อัตโนมัต
1.
เมอต องการตรวจสอบคาทไดจากการทดลอง ให คลกท View graph ท menu bar หนาจอจะ
แสดงกราฟความสัมพันธระหวาง T4 กับ เวลา หรอหากตองการตรวจสอบขอมลเปนตัวเลขกใหคลกท
View table หนาจอจะแสดงตารางข อมลดบ
4. เมอจบหนง ชดการทดลอง (เมอ T4 คงท) และตองการเรมบันทกผลการทดลองทความเรว
FEED PUMP คาตอไป ใหกด STOP ท Menu bar เพอหยดการบันทกผลการทดลองทคา
 ความเรว FEED
PUMP เดมกอน หลังจากทาการปรับค าความเรว FEED PUMP คาใหมแลว ใหกดท Begin a new set of
result ท Menu bar แลวกด GO โปรแกรมกจะทาการบันทกขอมลจาการทดลองเชนเดม
5. สาหรับกราฟ โปรแกรมจะทาการ plot ขอม ลแตละ run ลงบนแกนเดยวดัน โดยใชสทแตกตาง
3.
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
55/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
–6–
กัน แตสาหรับขอม ลดบ โปรแกรมจะบันทกขอมลโดยมลักษณะคลายโปรแกรม Microsoft Excel ซง ขอมล
แตละ run จะถกบันทกไวเปน sheet 1, 2, 3.... หากตองการตรวจสอบขอมลชดใดกใหกดท sheet นัน ซง
ปม sheet , 2, 3, ….จะอยดานลางของหนาจอเชนเดยวกับ Microsoft Excel
6. เมอเสรจส นการทดลองแลวใหหยดการบันทกขอมลโดยคลกท STOP แลวทาการ save ขอมล
โดยไปท File แลวกด save as เลอกตาแหนงทตองการ save ขอมล ตังชอ file แลวกด save
6.
รายงานการทดลอง
-
-
สรางกราฟความสัมพันธระหวางความเรวของ feed pump กับอณหภม T T และ T พรอมทัง
อธบายผลการทดลองทได
สรางสมการ first order transfer function อธบายการตอบสนองของ output (อณหภม) เมอมการ
1
2
3
เปลยนแปลง input (feed pump) ทคา ตางๆ พรอมทัง หาคาตัวแปรตางๆในสมการ
เอกสารอางอง
1.
Smith, Carlos A., and Armando Corripio. Principles and Practice of Automatic Process
Control, 3 edition. John Wiley & Sons: New York, 2005.
rd
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
56/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-1-
Unit Operation Laboratory III
Cooling Tower
Assoc. Prof. Joongjai Panpranot
1. Objectives
1. To understand the principle of cooling tower under specified conditions.
2. To learn about the psychometric chart and estimate efficiency of a cooling
tower.
3. To be able to calculate mass and heat balance in a cooling tower system and
cooling load at different air flow rates.
4. To be able to calculate %water loss and mass transfer characteristics of the
packing
2. Theory
Cooling towers have been widely used to dispose of waste heat from industrial
processes by rejecting heat into the atmosphere rather than to water in a river, lake, or
ocean. The most common types include natural-convection and forced-convection
cooling towers. The falling water droplets are cooled both by ordinary convection and
by the evaporation of water. As shown in Fig.1, warm water from a heat source is
Fig. 1 Flow diagram of cooling tower
url: http://www.cleanair.com/Services/PerformanceEfficiency/cooltower/plume/
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
57/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-2pumped to the top of the cooling tower and dispersed over the tower fill. It then flows
down the fill which spreads the water over a larger surface area to increase evaporation
and remove heat. Large fans draw air across the fill which accelerate evaporation and
further cool the water. The cool water continues to flow down into the water sump and
back to the system to cool the heat source.
Calculation of water-cooling towers
Making
an
overall
mass
balance
over
the cooling tower column as shown in Fig. 2,
Overall mass balance
L2
where
L2 =
− L1 = G2 − G1
(1)
mass flow rate of water in
L1 =
mass flow rate of water out
G1 =
mass flow rate of air in
Fig. 2 Continuous countercurrent
G2 = mass flow rate of air out
adiabatic water cooling
(Geankoplis,1993)
Water mass balance
L2
As
G2
(2)
= G1 = G , equation (2) becomes
L2
where
− L1 = G2 H 2 − G1 H1
H2 =
humidity of the air out
H1 =
humidity of the air in
− L1 = G ( H 2 − H1 )
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
(3)
58/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-3Energy balance
Q = G ( H G 2 − H G1 )
HG
Cs
where
HG =
λ0 =
(4)
= C (T − T0 ) + λ0 H
(5)
= 1.005 + 1.88H
(6)
s
Enthalpy of the air
latent heat of water
Cs = specific heat capacity of air
To determine the number of transfer unit ( NTU ) :
HG 2
NTU
∫
=
HG1
dH G
H Gi
−H
(7)
G
To calculate height of transfer unit ( HTU ) :
HTU =
G
KG a ⋅ M B ⋅ P
(8)
Z
∫ dZ = Z = (HTU )(NTU )
and
(9)
0
where
KG a
= mass transfer coefficient of air
MB
= molecular weight of air
P
= air pressure
To calculate the mean driving force (∆H
):
LM
∆H LM =
H G 2 − H G1
ln
HG2
(10)
H G1
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
59/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-43. Equipment
The set of apparatus are shown in Fig. 2, consisting of:
Fig. 2 Cooling tower apparatus
1. A cooling tower with Raschig ring packing.
2. A 10 liter water tank equipped with a water level controller (a float switch)
3. Hot water generator (0.5 and 1 kW)
4. Water pump (max speed 5 liter/min)
5. A rotameter measuring water flow rate
6. A electric fan (max flow rate = 5 liter/min)
7. Thermometers measuring:
•
Temperature of water inlet and outlet
•
Wet bulb and dry bulb temperature of air inlet and outlet
8. An anemometer measuring air flow rate
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
60/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-5Water line
Water is pumped from the load tank to the cooling tower. The water flow rate can
be adjusted with a valve attached to the flow meter. Entering the cooling tower, water is
distributed and cascades down through the packing, out of the column and return to the
load tank, In case the level of the water in the load tank falls due to evaporation, the float
valve opens, transferring water from the make-up tank into the load tank.
Air line
Air from the blower enters the cooling tower and flow upward, countercurrently
to water. The air flow rate can be adjusted by adjusting the opening degree of the intake
door. At the top of the tower, the air flow rate can be measured using an anemometer.
4. Experimental Procedure
1. Turn on all the switches that control the flow rate of warm water feeding to the
cooling tower
2. Fill in water in the storage tank and the make up tank.
3. Set the warm water flow rate at 20 L/h and the temperature of inlet warm water
o
at 45 C
4. Set the inlet air flow rate to maximum (where the intake door of the blower is
100% open.)
5. Wait until steady state and record the temperature of the following:
•
Water: inlet and outlet
•
Air: wet bulb and dry bulb temperature of inlet and outlet
6. Repeat procedure 3-5 with the change of the inlet air flow rate by leaving 2/3
and 1/3 of the blower intake door open, respectively. (week 1)
7. Repeat procedure 3-5 with the change of the inlet water temperature to 50 and
o
55 C
8. Use the optimum air flow rate obtained from Week 1 and set up experiment to
show the effect of inlet water flow rates on the performance of your cooling tower
system. (week 2)
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
61/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-65. Report requirements
Create graphs to illustrate and discuss:
•
correlation between inlet water temperature and the outlet air temperature.
•
how inlet air flow rate (at different water inlet temperature), inlet water flow
rate (at different water inlet temperature), inlet water temperature (at different
inlet water flow rate) affect
-
heat that air received from water.
-
rate of water evaporated.
-
mass transfer coefficient.
** In calculation, verify the overall energy and material balance.
References
Geankoplis, C. Transport Processes and Unit Operation, 3rd Ed., Prentice Hall
International Editions, 1995; pp. 602-610.
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
62/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-1-
คม อปฏบัตการ วชา Unit Operation Laboratory III
การอบแหงแบบถาด (Tray dryer)
อ. ดร. วรัญ แตไพสฐพงษ
1.
วัตถ ประสงค
ศกษาหลักการการทางานและสวนประกอบตางๆของเครองอบแหงแบบถาดได
2. ศกษาและอธบายกลไลการอบแหงแบบถาดดวยลมรอนได
3. สามารถคานวณหาเวลาทเหมาะสมในการอบแหงได
1.
2.
ทฤษฎ
การทาแหง (drying) หมายถง การใหความรอนภายใตสภาวะการควบคมเพอกาจัด นาท
 มอยใน
อาหารโดยการระเหยนา วัตถประสงคของการกาจัด นาค
 อ การยดอายการเกบรักษาอาหารโดยการลดค า
วอเตอรแอคตวต ( aw) ซง มผ ลยับยั งการเจร ญ เต บโตของเชอ จลนทรย และการทางานของเอนไซม
นอกจากนัน การลดนาหนั
 กและปรมาณของอาหารยังชวยลดคาใชจา ยในการเกบรักษาและการขนสง เพม
ความหลากหลายและความสะดวกใหแกผ บรโภค
กลไกการทาแหง
เมออากาศหรอลมร อนพัดผานหนาอาหารทเปยก ความร อนจะถกถายเทไปยังผวของอาหารและ
ระเหยออกมาดวยความรอนแฝงของการกลายเปนไอ ไอนาจะแพร

ผานฟลมอากาศและถกพัดพาไปโดยลม
รอนทเคลอนท สภาละดังกลาวจะทาใหความดันไอทผวหนา ของอาหารตากวา ความดันไอดานในอาหาร
เปนผลใหเกดความแตกต างของความดันไอนา อาหารชัน ดานในจะมความดันไอสงและคอยๆลดตาลง
เมอชันอาหารเขาใกลอาหารแหง ความแตกตางนท าใหเกดแรงดันเพอไลนาออกจากอาหาร
ความสัมพั นธระหวางความชน ในวัตถกับเวลามลักษณะดังรปท 1 โดยอาจมความแตกตางกัน
เลกนอยขนอย
 กับคณสมบัตของวัสดช นและสภาวะการอบแหง ไดแก ความเรวลม อณหภม และความช น
ในอากาศ
(ความชนสั
พัทอธแรงขั
จดนบาค
 ดันาของการถ
ง หรอ อณายเทความร
หภมกระเปาะเปยก)
าสภาวะของอากาศขาเข
เปนตัวแปรส
าคัญทมผมลต
อนและการถซงาจะพบว
ยเทมวลในกระบวนการอบแห
งา
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
63/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-2-
รปท 1 กราฟความสัมพันธระหวางปรมาณความชนในวั
 สดกับเวลาเมอผานการทาแหง (ref1)
เมอให ความร อนกับวัสดเรอยๆ คาความชนในวั
 สดจะมคาลดลงตามเวลา โดยในชวงแรกอัตราการ
ระเหยของนาจะส
 งกวาชวงอนๆ และปรับตัวเขาสคาคงทคอ เขาสชวงการระเหยทเรยกวา constant – rate
period ซงจะเปนชวงทน ามอัตราการระเหยทคงทและเมอเวลาผานไป คา ความชน ณ จดสดทายทอัตรา
การระเหยยังมคา คงทอยนันจะเรยกวาปรมาณความชนว
 กฤต (Critical moisture content) หลังจากนัน
อัตราการระเหยของนาจะลดลงเร

อยๆ อยางตอเนองจนถงจดทน ามอัตราการระเหยเปน 0 เรยกคาความชน
(Equilibrium
ในวั
สดท ทcontent
 าให อัต)ราการระเหยของน
น ว  า ปร
 ะสามารถระเหยน
จ ด สมดล าออกไป
ซง ความชน ในวัสดทาจในวั
ด นสจะเป
 ด เปนนคา0ความช
นส
 มดาณความช
ทายทวัสดจนท

moisture
ไดภายใตสภาวะของอากาศขาเขาทกาหนด
กราฟความสัมพันธระหวางอัตราการแหงกับความช นในวัสดมลักษณะดังรปท  2 กลาวคอ
ความสัมพันธจะแบงออกเปน 3 ชวง ในชวงตนของการอบแห ง (AB) อัตราการอบแหงอาจเพมข นหรอ
ลดลงกได ซงชวง AB หรอ A’B นอาจสัน มากจนไมสามารถสังเกตไดจากการทดลอง ชวงนจะเป
 นชวงท
อณหภมของวัสดปรับตัวเขาสสภาวะคงตัว ( steady-state) จากนัน จะเขาสชวงทอัตราการอบแหงคงท
(BC)
วัสดบางชนดทมความช นตาอาจมชวง BC สันมากหรอไมมเลย เชน เมลดพช ในชวงนความช

นใน

วัสดยังสงอย พ นผวของวัสดจะอมตัวดวยนา การถายเทมวลของนาเก
 ดขนจากภายในวั

สดมายังผววัสด
โดยการแพร และนาจากพ

นผ
 วถายเทสอากาศร อน ในขณะทความช นในวัสดยังสงอย พบวาอัตราการแพร
ของความชนภายในวั

สดเทากับการพามวล ดังนัน อัตราการอบแหงจงคงทใ นชว งตน ของกระบวนการ
อบแหง ในชวงนถ าเราทาการอบแหงทอณหภมสงขน หรอเพมความเรว ของอากาศ กจะทาให อัตราการ
อบแหงวัสดสง ขน เนองจากการเพมอณหภมและความเรวลมรอนจะชวยเพมสัมประสทธการถายเทความ
รอนและสัมประสทธการถายเทมวล
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
64/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-3-
รปท 2 กราฟความสัมพันธของอัตราการแหงกับความชนในวั
 สด (ref2)
การคานวณการทาแหงภายใตสภาวะคงทเปนภาวการณทาแห งทควบคมอณหภม (T) ความชน
(Y) ทศทางการไหล และอัตราการไหล (G) ของอากาศคงท
อัตราการแหง (drying rate) คอมวลของเหลวทระเหยตอ พนท
 ทเ กดการระเหยตอเวลา สมการของ
อัตราการแหง สามารถแสดงไดดังสมการท (1)
R
เมอ
R
A
dm
dt
1 dm
= −
(1)
A dt
คออัตราการแหงหรออัตราการระเหย, kg/m .hr
คอ พนท
 ทเ กดการระเหย, m
คอมวลของนา ทระเหยตอหนงหนวยเวลา, kg/hr
2
2
ความสัมพันธของมวลนา ในอาหารและความชนในอาหาร

สามารถแสดงไดดังสมการท (2)
m
= WM
dm
เมอ
m
M
W
=
และ
MdW
M
=
= lAρ
s
lAρ s
(2)
dW
คอมวลของนาในสารช

น , kg
คอมวลของสารแหงสนท, kg
(dry basis), kg water/kg dry solid
คอความชนในอาหาร

http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
65/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-4-
คอความหนาของสารแหงสนท, m
คอความหนาแนนของสารแหงสนท, kg/m
l
ρs
3
แทนคา dm ในสมการท (1) จะได
R
dT
1 dm
= −
A dt
= −l ρ s
M dW
= −
A
R
dW
(3)
dt
= −l ρ s
dW
R
เวลาทใชในการทาแหงหาไดจ ากการอนตเกรตสมการท (3) จากความชน เรมตน ( W ) ถงความชนท
 เวลา
0
ใดๆ ( W ) จะได
t
t
เนองจาก W
0
> Wt
=−
M
A
Wt
∫
W0
dR
R
Wt
= −l ρ
s
∫
dW
(4)
R
W0
เสมอ ดังนัน สามารถเขยนสมการท (4) ใหมไดดังตอไปน
t
=
M
A
W0
∫
Wt
dR
R
W0
= lρ
s
∫
Wt
dW
(5)
R
จากสมการท (5) หาเวลาทใชในการอบแหงไดโ ดยการเขยนกราฟระหวาง 1 และ W ทเวลาใดๆ จากนัน
R
หาพน ทใ ต กราฟจาก W ถง W แลวนามาคณดวยคา
ตองการ
t
0
M
A
หรอ l ρ กจะไดเวลาทใ ช ในการท าแห งท
s
3. อปกรณ
เครองอบแหงแบบถาดในการทดลองนเป นเครองมอการทาแหงทอาศัยลมรอนเปาผานผลตภัณฑ
ในแนวราบ ชดทดลองประกอบดวยอปกรณตางๆ ดังรปท 1
1. เครองอบแหงแบบถาด (tray dryer)
2. ถาดสแตนเลสจานวน 5 ถาด
3. เครองวัดความเรวลม
4. เครองวัดอณหภมและความชนขาเข
 าและขาออก
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
66/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-5-
เครองชัง นาหนั
 กขนาด 10 กโลกรัม
6. อปกรณใหความรอนและควบคมอณหภม
7. พัดลม
5.
8.
ตค วบคม
รปท 1 ชดทดลองเครองอบแหงแบบถาด
คอเทอรโมมเตอรวัดอณหภมของฮตเตอร, T /% RH คอเซนเซอรวัดอณหภมและความชน ของอากาศขาเขา,
/% RH คอเซนเซอรวัดอณหภมและความชน
 ของอากาศขาออก, Weight คอสวนแสดงนา หนักของสารตัวอยาง และ
FIow rate คอสวนททาการวัดอัตราการไหลของอากาศดวย anemometer
T heater
T out
in
4. ขันตอนการทดลอง
เตรยมทรายแหง 5 kg และ เตรยมนาปร
 มาตร 100 ml
2. เทนาลงในทรายแห

ง ผสมใหเขากัน
3. กด Tare นาหนักของถาดเปลา แลวจงนาถาดเปลาออกมา เทตัวอยางทไดจากขอ 1-2 ลงไป
โดยกระจายทรายเปยกใหทัว ถาด จากนัน ใสถาดกลับเขาไปในตัวเครองอบแหงเหมอนเดม บันทกนาหนั
 ก
เรมตนของทราบเปยก
4. เปดเครองอบแหง ปรับความเรวของพัดลมดดอากาศท 0.5 m/s และปรับคาของ Heater
power controller ไปยัง 40 C ควบคมคาเหลา นให
 คงทตลอดชวงของการทดลอง
 กของทรายทเวลาตางๆ จนกระทัง นาหนั
 กของตัวอยางไมมการเปลยนแปลงของ
5. บันทก นาหนั
นาหนัก
6. ท าซาข
 อ 1-5 โดยปรับเปล ยนคาความเรวลม เปน 1 m/s
7. ท าซาข
 อ 1-6 โดยปรับเปล ยนอณหภมเปน 70 C
1.
o
o
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
67/68
5/20/2018
UnitIII-AllLabDirection -slidepdf.com
-6-
ตัวอยางตารางบันทกผลการทดลอง
เวลา
(min)
นาหนั
 กทรายเปยก (kg)
อณหภมของอากาศ 40 C
อณหภมของอากาศ 70 C
ความเรวลม
ความเรวลม
ความเรวลม
ความเรวลม
o
0.5 m/s
1 m/s
o
0.5 m/s
1 m/s
6. การวเคราะหขอมล
สรางกราฟเพออธบายความสัมพันธของ
อัตราการแหง กับ อัตราการไหลของอากาศ (ทอณ
 หภมของอากาศขาเขาตางๆ)
อัตราการแหง กับ อณหภมของอากาศขาเขา (ทอัตราการไหลของอากาศตางๆ)
อัตราการแหง กับ ความชนในผล

ตภัณฑ
2. คานวณ เวลาทใช ในการทาแหงตามทฤษฎ และเปรยบเทยบคาทไดกับเวลาการทาแหงในการ
1.
•
•
•
ทดลอง พรอมทัง อธบายสาเหตทเปนไปไดทท าใหเ กดความแตกตาง
http://slidepdf.com/reader/full/unit-iii-all-lab-direction
68/68