รายงานปฏิบัติการ
เรื่อง Cooling Tower
นำเสนอ
ผศ.ดร. สันติ เชื้อเต๊อะ
โดย
1.
2.
3.
4.
5.
นายรัฐพล
นางสาววราภรณ์
นางสาวสายไหม
นางสาวหฤธยา
นางสาวอิสรินทร์
อินทรเสน
หมั่นสนธ์
จีนหนู
สารินทร์
ผุดผ่อง
รหัสนักศึกษา
รหัสนักศึกษา
รหัสนักศึกษา
รหัสนักศึกษา
รหัสนักศึกษา
6301031621012
6301031621039
6301031621047
6301031621055
6301031621063
ตอนที่
ตอนที่
ตอนที่
ตอนที่
ตอนที่
2
2
2
2
2
ทำการทดลองวันที่ 20 มกราคม 2566
ส่งรายงานวันที่ 27 มกราคม 2566
รายงานฉบับนี้เป็นส่วนหนึ่งของวิชา
010313305 Chemical Unit Operation Laboratory
ภาคการศึกษาที่ 2 ปีการศึกษา 2565
ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ
ทำการตรวจและบันทึกคะแนนแล้ว
............................................อาจารย์/ผู้ช่วยสอน
ส่งคืนวันที่..........................................................
1
บทคัดย่อ
เป็นส่วนสำคัญที่ผู้อ่านจะตัดสินใจว่าจะอ่านรายงานฉบับนี้หรือไม่ ดังนั้นการเขียนจะต้องกระชับ ชัดเจน ได้
ใจความ เกริ่นถึงที่มาและความสำคัญของการทดลอง และจะต้องตอบคำถามต่อไปนี้ ทำอะไร ทำเพือ่ อะไร
ค้นพบอะไร ข้อสรุปคืออะไร
2
บทนำ
เนื้อหาในส่วนนี้มีเพื่อให้ผู้อ่านมีความเข้าใจในการทดลอง โดยจะต้องกล่าวถึงที่มา ความสำคัญของการทดลอง
วัตถุประสงค์ และขอบเขตการทดลอง
3
วิธีการทดลอง
เนื้อหาจะต้องประกอบด้วย เครื่องมือ อุปกรณ์ วัสดุและสารเคมีที่ใช้ และขั้นตอนการทดลอง โดยขั้นตอนการ
ทดลองอาจจะนำเสนอแบบแผนภาพ/ผังงาน (Flowchart) ก็ได้
4
ผลการทดลอง
ตารางที่ 1: แสดงผลการอ่านค่า Enthalpy of humid air ระหว่าง Blower เปิดหมด, Blower เปิดครึ่งเดียว,
Blower ปิดหมด
Run
Blower (เปิดหมด)
Blower (เปิดครึ่งเดียว)
Blower (ปิดหมด)
T1 (°C)
31
31
32
Input
T2 (°C) ∆H (kJ/kg)
30.5
103
31
105.5
31.5
108
T3 (°C)
34
34
34
Output
T4 (°C) ∆H (kJ/kg)
34
118.5
35
120
35
120
ตารางที่ 2: แสดงผลการคำนวณค่า Volume flow rate of air, Q ระหว่าง Blower เปิดหมด, Blower เปิด
ครึ่งเดียว, Blower ปิดหมด
Run
T1 (°C)
Blower (เปิดหมด)
Blower (เปิดครึ่งเดียว)
Blower (ปิดหมด)
31.0
31.0
32.0
density of
air (kg/m3)
1.161
1.161
1.157
density
Velocity
of water
∆h
∆P
of air, v1
3
2
(kg/m ) (mmH2O) (N/m )
(m/s)
995.370 35.000 341.760 24.357
995.370 30.000 292.937 22.564
999.870 25.000 245.218 20.698
Volume flow
rate of air, Q
(m3/s)
0.487
0.451
0.414
ตารางที่ 3: แสดงผลการคำนวณค่า mass flow rate of the required makeup water, mmakeup ระหว่าง
Blower เปิดหมด, Blower เปิดครึ่งเดียว, Blower ปิดหมด
Run
Blower (เปิดหมด)
Blower (เปิดครึ่งเดียว)
Blower (ปิดหมด)
the mass flow rate of the
required make up water, mmakeup
(kg/s)
0.000328
0.000261
0.000279
5
ตารางที่ 4: แสดงผลการคำนวณค่า the mass velocity of the air, G และ the mass velocity of water,
L ระหว่าง Blower เปิดหมด, Blower เปิดครึ่งเดียว, Blower ปิดหมด
Run
G (kg/s)
∆hy (kJ/kg)
Blower (เปิดหมด)
Blower (เปิดครึ่งเดียว)
Blower (ปิดหมด)
0.5656
0.5239
0.4806
0.5489
0.9056
0.8000
Cp
(kJ/kg•K)
4.1800
4.1800
4.1800
∆T (K)
L (kg/s)
8.5000
8.0000
7.5000
1.75E-04
2.84E-04
2.45E-04
กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง Temperature กับ Enthapy
122
y = 1.8112x + 47.54
R² = 1
120
Enthapy (kJ/kg)
118
Blower fully open
116
Blower half open
114
Blower completely close
112
y = 1.6x + 55.19
R² = 1
110
108
y = 1.0979x + 5.4157
R² = 1
106
104
102
25
30
35
Temperate (°C)
40
45
กราฟที่ 1: แสดงเส้น Operating line ระหว่างความสัมพันธ์ Temperature กับ Enthalpy
ตารางที่ 5: แสดงผลการคำนวณค่า efficiency ระหว่าง Blower เปิดหมด, Blower เปิดครึ่งเดียว, Blower
ปิดหมด
Run
T2 (°C)
Blower (เปิดหมด)
Blower (เปิดครึ่งเดียว)
Blower (ปิดหมด)
30.5
31
31.5
T5 (°C)
40
40
40.5
T6 (°C)
31.5
32
33
efficiency (%)
89.47
88.89
83.33
6
อภิปรายผลทดลอง
อธิบายผลการทดลองที่ได้มา แล้วทำการวิเคราะห์ผลการทดลองเปรียบเทียบกับทฤษฎี หากไม่เป็นไปตาม
ทฤษฎีก็ควรอธิบายถึงสาเหตุหรือความเป็นไปได้อื่นๆ โดยใช้หลักการและเหตุผลทางวิศวกรรม (Engineering
judgement)
7
สรุปและวิจารณ์ผลทดลอง
เขียนเพื่อตอบวัตถุประสงค์ที่ตั้งเอาไว้ โดยสรุปผลการทดลองที่ได้โดยใช้ทฤษฎี หลักการและเหตุผลทาง
วิศวกรรมในการอธิบาย อะไรคือข้อผิดพลาด และมีข้อเสนอแนะเพื่อปรับปรุงการทดลองหรือแก้ไขข้อผิดพลาด
อย่างไร
8
เอกสารอ้างอิง
1. Draftman Working. [ออนไลน์]. Pipe Flow Calculations. [สืบค้นวันที่ 22 ตุลาคม 2566].
จาก http://thai-draftman.blogspot.com/2010/03/psychometric-chart.html
2. Engineering ToolBox. [ออนไลน์]. Cooling Tower Efficiency. [สืบค้นวันที่ 22 มกราคม 2566].
จาก https://www.engineeringtoolbox.com/cooling-tower-efficiency-d_699.html
Departmet of Chemical Engineering. (2565). Mechanical Unit 2 Operation Laboratory
010313305. Faculty of Engineering King Mongkut’s University of Technology North
Bangkok.
Julian Smith, Warren McCabe, Peter Harriott, emeritus. (2004). Unit Operations of Chemical
Engineering. (7 th). New York: McGRaw-Hill
9
ภาคผนวก
ข้อมูลดิบ
Run
Open blower
Half-blower
Close blower
T1 ( °C) T2 ( °C) T3 ( °C) T4 ( °C) T5 ( °C) T6 ( °C)
31
31
32
30.5
31
31.5
34
34
34
34
35
35
40
40
40.5
31.5
32
33
Pressure drop
(Upper-Lower)
mmH2O
47-12
45-15
38-13
ตัวอย่างการคำนวณ
1.Using the psychrometric chart determine the enthalpy of humid air at different
temperature of a dry-bulb and a wet-bulb temperature
1.1.Blower เปิดหมด
อุณหภูมิขาเข้าของอากาศ : Tdb = 31°C, Twb = 30.5°C
อุณหภูมิขาออกของอากาศ : Tdb = 34°C, Twb = 34°C
10
จากอุณหภูมิขาเข้าอ่าน Psychrometric chart อ่านค่า Enthalpy at Saturation ได้ค่าเท่ากับ 103
kJ/kg Dry Air และอ่านค่า Enthalpy at Deviation ได้ค่าเท่ากับ -0.01 kJ/kg Dry Air
ดังนั้น Hy = Hsaturation + Hdeviation
Hy = 103 kJ/kg Dry Air + (-0.01 kJ/kg Dry Air)
Hy = 102.99 kJ/kg Dry Air
อ่านค่า Moisture content ωin = 0.028 kg/kg Dry Air, Relative Humidity 96%
จากอุณหภูมิขาออกอ่าน Psychrometric chart อ่านค่า Enthalpy at Saturation ได้ค่าเท่ากับ
118.5 kJ/kg Dry Air และอ่านค่า Enthalpy at Deviation ได้ค่าเท่ากับ -0.01 kJ/kg Dry Air
ดังนั้น Hy = Hsaturation + Hdeviation
Hy = 118.5 kJ/kg Dry Air + (-0.01 kJ/kg Dry Air)
Hy = 118.49 kJ/kg Dry Air
อ่านค่า Moisture content ωout = 0.033 kg/kg Dry Air, Relative Humidity 96%
1.2.Blower เปิดครึ่งเดียว
อุณหภูมิขาเข้าของอากาศ : Tdb = 31°C, Twb = 31°C
อุณหภูมิขาออกของอากาศ : Tdb = 34°C, Twb = 35°C
11
จากอุณหภูมิขาเข้าอ่าน Psychrometric chart อ่านค่า Enthalpy at Saturation ได้ค่าเท่ากับ
105.5 kJ/kg Dry Air และอ่านค่า Enthalpy at Deviation ได้ค่าเท่ากับ 0 kJ/kg Dry Air
ดังนั้น Hy = Hsaturation + Hdeviation
Hy = 105.5 kJ/kg Dry Air + 0 kJ/kg Dry Air
Hy = 105.5 kJ/kg Dry Air
อ่านค่า Moisture content ωin = 0.0292 kg/kg Dry Air, Relative Humidity 100%
จากอุณหภูมิขาออกอ่าน Psychrometric chart อ่านค่า Enthalpy at Saturation ได้ค่าเท่ากับ 120
kJ/kg Dry Air และอ่านค่า Enthalpy at Deviation ได้ค่าเท่ากับ -0.01 kJ/kg Dry Air
ดังนั้น Hy = Hsaturation + Hdeviation
Hy = 120 kJ/kg Dry Air + (-0.01 kJ/kg Dry Air)
Hy = 119.99 kJ/kg Dry Air
อ่านค่า Moisture content ωout = 0.0334 kg/kg Dry Air, Relative Humidity 96%
1.3.Blower ปิดหมด
อุณหภูมิขาเข้าของอากาศ : Tdb = 32°C, Twb = 31.5°C
อุณหภูมิขาออกของอากาศ : Tdb = 34°C, Twb = 35°C
12
จากอุณหภูมิขาเข้าอ่าน Psychrometric chart อ่านค่า Enthalpy at Saturation ได้ค่าเท่ากับ 108
kJ/kg Dry Air และอ่านค่า Enthalpy at Deviation ได้ค่าเท่ากับ -0.01 kJ/kg Dry Air
ดังนั้น Hy = Hsaturation + Hdeviation
Hy = 108 kJ/kg Dry Air + -0.01 kJ/kg Dry Air
Hy = 107.99 kJ/kg Dry Air
อ่านค่า Moisture content ωin = 0.0297 kg/kg Dry Air, Relative Humidity 96%
จากอุณหภูมิขาออกอ่าน Psychrometric chart อ่านค่า Enthalpy at Saturation ได้ค่าเท่ากับ 120
kJ/kg Dry Air และอ่านค่า Enthalpy at Deviation ได้ค่าเท่ากับ -0.01 kJ/kg Dry Air
ดังนั้น Hy = Hsaturation + Hdeviation
Hy = 120 kJ/kg Dry Air + (-0.01 kJ/kg Dry Air)
Hy = 119.99 kJ/kg Dry Air
อ่านค่า Moisture content ωout = 0.0334 kg/kg Dry Air, Relative Humidity 96%
2.Determine the volume flow rate of air into the cooling tower
2.1.Blower เปิดหมด
• กำหนดให้ Diameter = 0.16 m
จาก A =
πD2
4
π × (0.16 m)2
A=
4
A = 0.02 m2
• กำหนดให้ Assume : Ideal gas, Mwair = 28.97 g/mol, Tair = 31°C = 304.15 K, P = 1 atm
จาก PV = nRT
m
PV =
m
v
=
ρ=
Mw
P Mw
RT
RT
P Mw
ρair =
RT
g
1 kg
×
mol 1000 g
L atm
1 m3
0.08206
× 304.15 K ×
mol K
1000 L
1 atm × 28.97
ρair =1.161
kg
m3
13
• กำหนดให้ที่ T = 31°C มีค่า ρH2O =995.262
mmH2O
kg
m3
, Pressure drop = 47-12 mmH2O = 35
จาก P = ρgh
P
h = ρg
h=
kgm
1 2
N
s
1.01325 × 105 2 × 1N
m
1 atm×
1atm
kg
m
1m
995.262 3 × 9.81 2 ×
m
s 1000mm
h = 10377.917 mmH2O
ดังนั้น ∆P = 35 mmH2 O ×
∆P = 341.723
N
N
1.01325 × 105 2
m
10377.917 mmH2 O
m2
• กำหนดให้ความสูงของ Cooling tower (∆h) = 0.46 m
จากสมการ Bernoulli’s Principle
1
1
P1 + 2 ρV21 + ρgh1 = P2 + 2 ρV22 + ρgh2 ; กำหนดความเร็วขาออกมีค่าน้อยมาก V2 = 0
P1 +
1
2
ρV21 + ρgh1 = P2 + ρgh2
2(P2 -P1 )
V1 = √
+g(h2 -h1 )
ρair
kg m
N 1 s2
2 ×341.723 m2 × 1N
m
V1 = √
+9.81
×0.46m
kg
2
s
1.161 m3
V1 = 24.355 m/s
• คำนวณอัตราการไหลเชิงปริมาตรของอากาศชื้นที่เข้า Cooling Tower
จาก Q = AV
Q = 0.02 m2 ×24.355
Q = 0.487 m3/s
m
s
14
3.Determine the mass flow rate of the required make up water
Dry air mass balance : ṁa1 = ṁa2 = ṁa
Water mass balance : ṁ3 + ṁa1 ω1 = ṁ4 + ṁa2 ω2
ṁ3 - ṁ4 = ṁa (ω2 -ω1 ) = ṁmakeup
Energy balance : Ėin - Ėout = ∆Ėsystem ; Steady state
Ėin - Ėout = 0
Ėin = Ėout
∑ ṁi hi = ∑ ṁo ho
0= ∑ ṁo ho - ∑ ṁi hi
0= ṁa2h2 + ṁ4 h4 -ṁa1 h1 -ṁ3 h3
0= ṁa (h2 -h1 )+(ṁ3 -ṁmakeup )h4 -ṁ3 h3
Solving for ṁa : คำนวณ Blower เปิดหมด
ṁa =
ṁ3(h3-h4)
(h2-h1)-(ω2-ω1 )h4
L
1 m3
987.414 kg
1 hr
ṁ3 = 100 hr × 1000 L × m3 × 3600 s
ṁ3 = 0.027 kg/s
จาก Psychrometric chart
h1 = 102.99 kJ/kg Dry Air
Moisture content ω1 = 0.028 kg/kg Dry Air
h2 = 118.49 kJ/kg Dry Air
Moisture content ω2 = 0.033 kg/kg Dry Air
จาก Table A.2-9
h3 @ 40°C = 167.57 kJ/kg
h4 @ 31.5°C = 132.06 kJ/kg
ṁa =
ṁ3 (h3 -h4 )
(h2 -h1 )-(ω2 -ω1)h4
15
ṁa =
kg
kJ
kJ
s
kg
kg
kJ
kJ
kg
kg
kJ
(118.49 -102.99 )-(0.033 -0.028 )(132.06 )
kg
kg
kg
kg
kg
(0.027 )(167.57 -132.06 )
ṁa = 0.065 kg/s
ṁmakeup = ṁa (ω1 -ω2 )
ṁmakeup =0.065
kg
s
kg
kg
×(0.033 kg -0.028 kg )
ṁmakeup =0.000325
kg/s
จากสมการ Energy balance : Gdhy = d(Lhx) ; ∆hx = Cp ∆T
Assume : ให้ L มีค่าคงที่ เนื่องจากปริมาณของเหลวที่ระเหยในกระบวนการมีปริมาณน้อย
จะได้ G∆hy = LCp ∆T
หา mass flow rate of the air, G
จาก G = VρairA
m
kg
G = 24.355 s ×1.161 m3 ×0.02 m2
G = 0.566 kg/s
กำหนด Tx1 : อุณหภูมิน้ำขาออก = 31.5°C
Tx2 : อุณหภูมิน้ำขาเข้า = 40°C
Hy1 : อุณหภูมิอากาศขาเข้า = 102.99 kJ/kg Dry Air
Hy2 : อุณหภูมอิ ากาศขาออก = 118.49 kJ/kg Dry Air
นำ (Tx1 , Hy1) และ (Tx2 , Hy2) ไปพล็อตกราฟจะได้เส้น Operating line
กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง Temperature กับ Enthapy
122
y = 1.8112x + 47.54
R² = 1
120
Enthapy (kJ/kg)
118
Blower fully open
116
Blower half open
114
Blower completely close
112
y = 1.6x + 55.19
R² = 1
110
108
y = 1.0979x + 5.4157
R² = 1
106
104
102
25
30
35
Temperate (°C)
40
45
16
จาก Operating line จะได้สมการ Blower เปิดหมด
y = 1.0979x + 5.4157
แทน Tx = 31.5°C = x แทนในสมการ Operating line
y = 40 kJ/kg
แทน Tx = 32°C = x แทนในสมการ Operating line
y = 40.549 kJ/kg
ดังนั้น ∆hy = Hy(at=32°C) - Hy(at=31.5°C)
kJ
∆hy = 40.549 kg - 40
∆hy = 0.549
kJ
kJ
kg
kg
หา mass flow rate of the required makeup water, L
จาก G∆hy = LCp ∆T
L=
G∆hy A
Cp ∆T
L = 0.566
kg
s
× 0.549
kJ
kg
× 0.02m2 ×
kg∙K
4.18 kJ
×
1
8.5K
L = 1.749 × 10-4 kg/s
4.What is the efficiency of cooling tower
4.1.Blower เปิดหมด
efficiency =
ti - t0
(ti - tw b)
×100
ti : inlet temperature of water to the tower
to : outlet temperature of water from the tower
Twb : wet bulb temperature of air
efficiency =
40°C-31.5°C
× 100
40°C-30.5°C
efficiency = 89.474 %
17