tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống và thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm vỏ bọc

4.2- Tính thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống Đề bài: Một thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống dùng dầu điêzen đi bên trong các ống trao đổi nhiệt để đun nóng dòng dầu thô đi bên ngoài các ống trao đổi nhiệt có các yêu cầu như bên dưới. Giả sử dòng dầu điêzen và dòng dầu thô chuyển động ngược chiều. Hãy tính toán và lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống trong hai trường hợp (1) ống trong là ống tròn trơn và (2) ống trong là ống tròn, mặt ngoài có gân dọc. Các yêu cầu như sau: Thông số Dầu thô Điêzen Lưu lượng, kg/h 40 000 15 000 Nhiệt độ đầu vào, o C 25 280 Nhiệt độ đầu ra, o C 22 T 150 Tỷ khối, 293 277 d 0,897 0,806 Độ nhớt động học, cSt 20 o C 40 o C 100 o C 200 o C 250 o C 300 o C 6,2 3,8 1,4 0,5 0,4 0,3 1,10 0,81 0,45 0,26 0,21 0,15 Qui trình tính: Phương pháp chung để tính thiết bị trao đổi nhiệt 4.2.1. Xác định tải nhiệt Q - Chất tải nhiệt nóng: Diesel - Chất tải nhiệt lạnh: Dầu thô Chọn: Chất tải nhiệt nóng đi trong ống nhỏ, chất tải nhiệt lạnh đi trong không gian giữa 2 ống. Để xác định tải nhiệt Q ta dựa vào phương trình cân bằng nhiệt giữa 2 chất tải nhiệt ( ) ( ) 21221211 TT2TT1 HHGHHGQ −=η−= (1) Trong đó: 10/5/2014 1 Q là tải nhiệt hay lượng nhiệt trao đổi [W] hay [kW] G 1 , G 2 là lưu lượng chất tải nhiệt nóng và lạnh [kg/giờ] 11 T H , 12 T H là entanpy của chất tải nhiệt nóng ở nhiệt độ 11 T và 12 T [kJ/kg] 21 T H , 22 T H là entanpy của chất tải nhiệt lạnh ở nhiệt độ 21 T và 22 T [kJ/kg] η là hệ số hiệu chỉnh hay hệ số sử dụng nhiệt ( ) 97,095,0 ÷=η Theo yêu cầu: 15000G 1 = kg/giờ 40000G 2 = kg/giờ Hệ số sử dụng nhiệt: chọn 95,0=η Tìm entanpy: coi các chất tải nhiệt là các phân đoạn dầu mỏ, dùng đồ thị (phụ lục 1) (hay các bảng biểu) để tìm entanpy của các phân đoạn dầu mỏ khi biết tỷ trọng d và nhiệt độ Từ phụ lục , ta tìm được các giá trị entanpy (coi như đã hiệu chỉnh): kg/kJ69,690kg/kcal165HH 553T 11 =≈= kg/kJ88,334kg/kcal80HH 423T 12 =≈= kg/kJ23,50kg/kcal12HH 298T 21 =≈= Từ số liệu trên, ta tính Q theo công thưc 1: ( ) h/kJ5,507029295,0.88,33469,69015000Q =−= kW4,1408h/kJ5,5070292Q == kW4,1408Q = Cũng từ công thức 1, ta tính được 22 T H và từ đó tìm được 22 T ( ) 23,50H.400005,5070292Q 22 T −== kg/kJ17799,176H 22 T ≈= Từ đó ta tìm được: K357T 22 = hay 84 0 C 4.2.2. Tính hiệu số nhiệt độ trung bình Trước hết ta phải chọn chiều của chất tải nhiệt. Trong thực tế, người ta thường chọn thiết bị trao đổi nhiệt làm việc theo nguyên lý ngược chiều. Khi đó 10/5/2014 2 thường có lợi ích kinh tế cao hơn. Trong trường hợp này, ta cũng chọn thiết bị trao đổi nhiệt có 2 dòng chất tải nhiệt chuyển động ngược chiều. KT 196357553 max =−=∆ K125298423T min =−=∆ Ta dùng hiệu nhiệt độ trung bình logarit. Áp dụng công thức 2 […] min max minmax min max minmax tb T T lg3,2 TT T T ln tT T ∆ ∆ ∆−∆ = ∆ ∆ ∆−∆ =∆ Như vậy ta có: KT tb 16,157 125 196 lg3,2 125196 = − =∆ K16,157T tb =∆ 4.2.3. Xác định hệ số truyền nhiệt Khi sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt loại “ống lồng ống”, các ống trao đổi nhiệt có thể là các ống tròn trơn hoặc có gân dọc. Ta có thể sử dụng một số công thức sau để tính hệ số truyền nhiệt K. Khi ống không có gân, bề mặt ống sạch: [ ] KW/m 11 1 K 2 2t t 1 α + λ δ + α = Khi ống không có gân, bề mặt ống bẩn: 10/5/2014 3 [ ] KW/m 11 1 K 2 22 2 1 1 t t 1 α + λ δ + λ δ + λ δ + α = Khi ống có gân, bề mặt ống sạch: [ ] KW/m F F 11 1 K 2 2 1 ' 2t t 1 α + λ δ + α = Khi ống có gân, bề mặt ống bẩn: [ ] KW/m F F 11 1 K 2 2 1 ' 22 2 1 1 t t 1 α + λ δ + λ δ + λ δ + α = Trong công thức từ (3) đến (6): k là hệ số truyền nhiệt [ Km/W 2 ] 1 α là hệ số cấp nhiệt từ chất tải nhiệt chảy trong ống nhỏ đến bề mặt trong của ống nhỏ [ Km/W 2 ]. 2 α là hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của ống nhỏ đến chất tải nhiệt chảy giữa 2 ống [ Km/W 2 ]. 21t ,, δδδ lần lượt là chiều dày của ống nhỏ, của lớp bẩn bám trên bề mặt trong và ngoài của ống nhỏ [ m ] 21t ,, λλλ lần lượt là hệ số dẫn nhiệt ống nhỏ, của lớp bẩn bám trên bề mặt trong và ngoài của ống nhỏ [ mK/W ] 21 F,F lần lượt là diện tích toàn bộ bề mặt trong và bề mặt ngoài của ống nhỏ (có gân). Trên thực tế, phải tính toán thiết bị trao đổi nhiệt đảm bảo yêu cầu vận hành trong mọi điều kiện nên thường sử dụng công thức 4 và 6 để tính toán hệ số truyền nhiệt. Đây là các công thức xác định hệ số truyền nhiệt khi bề mặt bị bám bẩn, hệ số truyền nhiệt giảm đi. a) Tìm F 1 và F 2 10/5/2014 4 Việc tìm F 1 và F 2 liên quan đến TB TĐN cụ thể, do vậy ta phải chọn sơ bộ TB TĐN. Để chọn sơ bộ TB TĐN ta phải tính được bề mặt trao đổi nhiệt giả định cần thiết. Muốn thể ta giả định hệ số truyền nhiệt K. Trên cơ sở số liệu chất tải nhiệt đã chọn, ta giả sử K = 300 W/m 2 K. Biết K16,157t 0 tb =∆ , biết K = 300 W/m 2 K, ta tính được bề mặt trao đổi nhiệt theo công thức 7. tb tK Q F ∆ = 2 3 m3087,29 16,157.300 10.4,1408 F ≈== Trong thực tế, có loại TB TĐN loại ống lồng ống có bề mặt trao đổi nhiệt là 30 m 2 với các đặc tính: đường kinh ống trong d = 48x4 mm, đường kính ống ngoài D = 89 x 5 mm, nhiệt độ làm việc tối đa là 723 K, áp suất làm việc tối đa là 25 at, bề mặt ống không có gân (loại TTP 7.2) (còn loại TTP 7.1 có diện tích trao đổi nhiệt là 15 m 2 , loại TTP 7.3 có diện tích trao đổi nhiệt là 45 m 2 ) Cũng có loại thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống, bề mặt ống trong có gân (loại TT 7.2) có diện tích là 30 m 2 , hệ số thêm gân khi có 24 gân là 5=ϕ , khi có 20 gân , đường kinh ống trong d = 48x4 mm, đường kính ống ngoài D = 89 x 5 mm, nhiệt độ làm việc tối đa là 723 K, áp suất làm việc tối đa là 25 at. Như vậy, với loại TB TĐN với ống nhẵn hay ống gân, ta đều chỉ cần chọn 1 thiết bị là đủ. Với ống không có gân F = F 1 = 30 m 2 Với ống có gân dọc F 1 = 30 m 2 Ống có 20 gân 2 12 m12930.3,4F.F ==ϕ= Ống có 24 gân 2 12 m15030.5F.F ==ϕ= b). Tính 1 α : hệ số cấp nhiệt từ chất tải nhiệt nóng đi trong ống nhỏ đến bề mặt trong của ống 10/5/2014 5 Ta có thể sử dụng các công thức sau để tính 1 α nếu dòng chảy rối. 25,0 1, 1 43,0 1 8,0 1 1 1 Pr Pr .PrRe021,0         = t d λ α Hay: 45,0 t t 4,0 1 8,0 1 1 1 d D .PrRe d 027,0         λ =α Trong đó: 1 λ : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, [W/mK] d t : đường kính trong của ống nhỏ, [m] (d t = 0,04 m) D t : đường kính trong của ống ngoài, [m] (D t = 0,079 m) Các thông số nhiệt vật lý được tính ở nhiệt độ trung bình của Diesel. Re 1 và Pr 1 là chuẩn số Reynold và chuẩn số Prandt khi các thông số vật lý được tính ở nhiệt độ trung bình. Trong tính toán, vì chuẩn số Pr ít thay đổi theo nhiệt độ nên có thể coi. 1 Pr Pr 1,t 1 = Nhiệt độ trung bình phía Diesel: 1tb T K488 2 423553 2 TT T 1211 1tb = + = + = (215 0 C) Hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ trung bình: 1 λ có thể tính theo công thức (10): ( ) 1tb 288 277 1 T.00047,01 d 1346,0 −=λ với 809,0d 288 277 = ( ) 129,0488.00047,01 809,0 1346,0 1 =−=λ [W/mK] 129,0 1 =λ [W/mK] Tính chuẩn số Reynold (Re 1 ): 1 Re được tính theo công thức: 1 t1 1 d Re υ ω = 10/5/2014 6 Với 1 ω là vận tốc diesel chảy trong ống, [m/s] 1 υ là độ nhớt động học của diesel ở nhiệt độ trung bình, [m 2 /s] Vận tốc dòng diesel được tính: 11tb 1 1 f.3600 G ρ =ω 1tb ρ là khối lượng riêng của diesel ở nhiệt độ trung bình 488 K. Biết 293 277 d = 0,806. Tính ( ) 293T000725,0dd 293 277 488 277 −−= ( ) 664,0293488000725,0dd 293 277 488 277 =−−= Coi tỷ khối bằng trọng lượng riêng nên: 664 1tb =ρ kg/m 3 1 f là tiết diện cắt ngang của các ống trong 1 hành trình. Thiết bị có 2 ngăn, 14 ống, mỗi ngăn có 7 ống ( 7N 1 = ). ( ) 0088,07 4 04,0.14,3 N 4 d f 2 1 2 t 1 == π = m 2 Do vậy: 713,0 0088,0.664.3600 15000 1 ==ω m/s 713,0 1 =ω m/s Độ nhớt động học của diesel ở nhiệt độ trung bình Từ bảng giá trị độ nhớt theo nhiệt độ, ta vẽ đồ thị độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ. Từ đồ thị ta sẽ tìm được giá trị độ nhớt ở một nhiệt độ nào đó. 10/5/2014 7 Từ đồ thị hình 3, ta xác định độ nhớt động học ở 215 0 C: 24,024,0 1 == cSt υ .10 -6 m 2 /s Ta cũng có thể xác định độ nhớt ở một nhiệt độ bất kỳ khi biết độ nhớt ở 2 nhiệt độ khác theo công thức: 273T 273T lgnlg 1 2 2 1 − − = υ υ Biết T 1 , T 2 , 1 υ , 2 υ , ta xác định được n. Sau đó ta tính ngược lại để xác định được độ nhớt tại một nhiệt độ nào đó. Ví dụ: Ở K373T 1 = có 45,0 1 =υ K523T 2 = có 21,0 2 =υ 273373 273523 lgn 21,0 45,0 lg − − = 8317,0n =→ Vậy ở nhiệt độ K488T 1tb = ta có: 273373 273488 lg8317,0 45,0 lg − − = υ 24,0238,0 ≈=υ→ Từ các số liệu đã cho ta tính được chuẩn số Reynold: 1000033,118833 10.24,0 04,0.713,0 Re 6 1 >== − 10/5/2014 8 33,118833Re 1 = Vậy dòng là dòng chảy rối - Tính chuẩn số Prandt: Chuẩn số Pr được xác định theo công thức: λ ρυ = .C Pr Với: C là nhiệt dung riêng, [J/kg.K] 323,3 129,0 664.10.69,2.10.24,0 Pr 36 1 111 1 === − λ ρυ C 323,3Pr 1 = Vì nhiệt dung riêng C 1 được tính theo công thức: ( ) ( ) 488.0034,0762,0 809,0 1 T.0034,0762,0 d 1 C 1tb 288 277 1 +=+= [kJ/kg.K] Tính 1 α : Áp dụng công thức 8, ta có: 1303323,333,118833 04,0 129,0 021,0 43,08,0 1 ==α W/m 2 K 1303 1 =α W/m 2 K c) Tính 2 α : hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ống nhỏ đến dầu thô. Nếu dòng chảy rối, có thể sử dụng công thức 8 hoặc 9 để tính 2 α , trong đó các tính chất vật lý là của dầu thô ở nhiệt độ trung bình. - Nhiệt độ trung bình của dầu thô 2tb T 5,328 2 298359 2 TT T 2221 2tb = + = + = K - Hệ số dẫn nhiệt của dầu thô ở nhiệt độ trung bình 2tb T ( ) 2tb 288 277 2 T.00047,01 d 1346,0 −=λ ( ) 126,05,328.00047,01 900,0 1346,0 2 =−=λ W/mK 10/5/2014 9 126,0 2 =λ W/mK Trong đó: ( ) ( ) 293288000725,0897,0293288000725,0dd 293 277 288 277 −−=−−= 900,0d 288 277 =→ - Tính tiêu chuẩn Reynold 2 Re 2 Re được tính theo công thức 11 2 tb2 2 D Re υ ω = Với 2 ω là vận tốc dòng dầu thô chảy trong tiết diện hình vành khăn giữa 2 ống, [m/s] 2 υ là độ nhớt của dầu thô ở nhiệt độ trung bình. [m2/s] tb D là đường kính tương đương của hình vành khăn, [m]. + Đường kính tương đương được xác định theo công thức: 031,0048,0079,0dDD nttb =−=−= m + Vận tốc dòng dầu thô 22tb 2 2 f.3600 G ρ =ω Trong đó: 2tb ρ là khối lượng riêng của dầu thô ở nhiệt độ trung bình 2tb T ( ) ( ) 2935,328000725,0897,02935,328000725,0dd 293 277 5,328 277 −−=−−= 871,0d 5,328 277 = Coi tỷ trọng bằng khối lượng riêng nên 871 2tb =ρ kg/m 3 2 f là tiết diện hình vành khăn, tính theo công thức: ( ) ( ) 022,0048,0079,0 4 14,3 .7 4 222 2 2 =−=−= nt dDNf π m 2 Do vậy 58,0 022,0.871.3600 40000 2 ==ω m/s 10/5/2014 10 [...]... 1349,10 150 = 363, 23W / m 2 K 4.2.4 Xỏc nh b mt trao i nhit (F) xỏc nh din tớch b mt trao i nhit F ta dựng biu thc (15): F= Q ttb = 157,16 K k ttb Q = 1408, 4.103 W 10/5/2014 16 Thit b trao i nhit phi m bo nhit lng trao i ngay c trong trng hp ng trao i nhit b bn Do vy phi s dng cỏc h s truyn nhit K khi b mt ng b bn Do din tớch trao i nhit F ny l din tớch trao i nhit ti thiu cn phi cú a, Khi ng khụng... mt trong ca ng trao i nhit [w/m K] l nhit tr ca thnh ng trao i nhit (ng sch), v ln lt l chiu dy ng v dn nhit ca ng trao i nhit v l nhit tr ca hai lp bn bỏm trờn 2 b mt ng trao i nhit (mt trong (phớa hi nc bóo hũa) v mt ngoi (phớa hn hp A) ca ng trao i nhit) , ln lt l chiu dy v dn nhit ca lp bn bỏm mt trong ng trao i nhit , ln lt l chiu dy v dn nhit ca lp bn bỏm mt ngoi ng trao i nhit =0.0002... tớnh K na vn xỏc nh c b mt trao i nhit F 4.3.4- Xỏc nh b mt trao i nhit F Ta cú th dựng 1 trong 2 cụng thc sau tớnh b mt trao i nhit F: F= (18) Hoc F= (19) Theo cụng thc (19) ta cú: F= =34.032 m Vy b mth trao i nhit cú din tớch khong 34 m 4.3.5- Chn thit b trao i nhit Khi bit b mt trao i nhit F =34 m ta s chn c thit b phự hp.Trong cụng nghip ch bin du ta cú loi thit b trao i nhit cú khụng gian bay... w/m.K) Ni tỏi un c coi l thit b trao i nhit loi ng chựm, v bc, cú khụng gian bay hi Trong trng hi ny, hi nc bóo hũa 443K i trong cỏc ng trao i nhit cũn hn hp A i bờn ngoi cỏc ng trao i nhit hay i trong khụng gian gia cỏc ng trao i nhit v v thit b: H s truyn nhit K c tớnh theo cụng thc: K= (6) õy , l h s cp nhit phớa un hi lu (hn hp A), thc cht l h s cp nhit t b mt ngoi ng trao i nhit n hn hp A [w/m... kớnh D=800mm, b mt trao i nhit F=40 m , ỏp sut lm vic ca thit b l 16at, ỏp sut lm vic ca chựm ng l 25 at cú 86 ng trao i nhit cú kớch thc 25x2.5mm, chiu di ng trao i nhit l L=6m Nu chn thit b trao i nhit tỏi bc hi kiu 800 PP 16/16 thỡ ch cn 1 thit b ó un bc hi 15000 kgA/gi Ta cng cú th chn mt s loi khỏc nh bng 7 sau: Bng 7: kớch thc thit b la chn ng kớnh thit b, D(mm) 478 10/5/2014 ng trao i nhit ng kớnh... Chiu cao thit b, mm 2036 2052 ng kớnh ngoi ca chựm ng, mm 790 830 p sut lm vic ca chựm ng, at 25 40 S chựm ng 1 1 S ng trao i nhit trong chựm ng 96 96 6000 6000 ng kớnh ngoi ng trao i nhit, mm 25 25 ng kớnh trong ng trao i nhit, mm 20 20 Chiu dy ng trao i nhit, mm 2.5 2.5 Chiu di ng trao i nhit, mm 10/5/2014 36 ... T cng tng thỡ h s A cú giỏ tr cng gim Chn chiu di ng trao i nhit: Vi thit b trao i nhit ng chum, v bc, cú khụng gian bay hi (ni tỏi un), chiu di ng trao i nhit tiờu chun l 8;12;16 v 20 ft (2.4;3.6;4.8 v 6 m) ( theo tiờu chun TEMA) v 3-6 m(theo tiờu chun Nga) 10/5/2014 32 Ta s chn ng cú chiu di L=6m tớnh toỏn Chn ng kớnh ng: Cú rt nhiu loi ng trao i nhit vi ng kớnh khỏc nhau, ng kớnh ngoi t ẵ inch... gõn: Din tớch ti thiu l 25,1 m2 z1 ' = F1 ' 25,1 = = 0,84 F 30 10/5/2014 17 Ta s s dng 1 thit b trao i nhit l - ng cú 24 gõn: b mt trao i nhit ti thiu l 24,7 m2 z2 ' = F2 ' 24, 7 = = 0,82 F 30 Cng ch cn 1 thit b trao i nhit Nh vy, theo kinh nghim v thc t tớnh toỏn m bo yờu cu t ra ta nờn s dng 1 thit b trao i nhit loi ng lng ng, b mt ngoi ca ng nh cú gõn c tớnh ca thit b nh sau Cỏc thụng s thit b... C5H12 2 Qui trỡnh tớnh: Phng phỏp chung tớnh mt thit b trao i nhit giỏn tip 1 Xỏc nh lng ti nhit: Q(KJ/Gi, KW) 2 Xỏc nh hiu s nhit trung bỡnh: t 10/5/2014 19 3 [W/m ] 4 Xỏc nh h s truyn nhit K (Tỡm K), (KJ/m.gi C) hoc Xỏc nh b mt trao i nhit: F ( m ) 5 Tỡm s thit b trao i nhit hot ng tiờu chun lp song song hoc ni tip cn thit 4.3.1-Xác định tải nhiệt Q: Ti nhit Q c xỏc nh da vo phng trỡnh cõn bng nng... trung bỡnh (nhit ngng t trung bỡnh).A=(T ) L l chiu di ng trao i nhit [m] d l ng kớnh trong ca ng trao i nhit [m] q l nhit ti riờng b mt [w/m ] Tớnh A: Nhit ngng t trung bỡnh ( T ) c tớnh theo cụng thc: T =0.5 ( T + T ) (16) Trong ú: T l nhit hi bóo hũa[K] T l nhit thnh ng trao i nhit tip xỳc vi hi ngng t[K] Trong thc t, i vi hi nc cú kh nng trao i nhit ng u, ngi ta coi TT v do ú TT T Nh vy, T =443K.Theo . 4.2- Tính thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống Đề bài: Một thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống dùng dầu điêzen đi bên trong các ống trao đổi nhiệt để đun nóng dòng. 7.1 có diện tích trao đổi nhiệt là 15 m 2 , loại TTP 7.3 có diện tích trao đổi nhiệt là 45 m 2 ) Cũng có loại thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống, bề mặt ống trong có gân (loại TT 7.2) có. nghiệm và thực tế tính toán để đảm bảo yêu cầu đặt ra ta nên sử dụng 1 thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống, bề mặt ngoài của ống nhỏ có gân. Đặc tính của thiết bị như sau Các thông số thiết bị F