Bài tập lớn tinh tính toán thiết bị truyền nhiệt

 Số ống truyền nhiệt.. Cấu tạo:  Gồm có vỏ hình trụ, hai đầu hàn hai lưới đỡ ống, các ống truyền nhiệt 5 được ghép chắc, kín vào lưới ống.. Trên vỏ, nắp và đáy có cửa ống nối để dẫn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN TRUYỀN NHIỆT

**************************************

BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT GIÁN TIẾP

Họ và tên :

Dương Quốc Bảo MSSV: 61300217 Lớp: Vô Cơ-Silicat K13 Trịnh Hoàng Phương Nguyên MSSV:61302654 Lớp : Hóa Lý K13

Đề tài:

Đun nóng dung dich: CH3COOH 80 % bằng thiết bị gia nhiệt loại ống chùm đặt thẳng đứng với:

 Lưu lượng dung dịch 15m3/h

 Dùng hơi nước bão hòa làm chất tải nhiệt có áp suất : 6at

 Ngưng tụ hoàn toàn lỏng sôi

 Dung dịch được đun nóng từ nhiệt độ ban đầu 30 o C đến nhiệt độ cuối 105 o C

Yêu cầu:

Hãy xác định:

 Xác định lượng hơi nước sử dụng

 Bề mặt trao đổi nhiệt

 Số ống truyền nhiệt

 Đường kính của thiết bị

MỤC LỤC

A LÝ THUYẾT

I CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

1 Cấu tạo:

 Gồm có vỏ hình trụ, hai đầu hàn hai lưới đỡ ống, các ống truyền nhiệt 5 được ghép chắc, kín vào lưới ống Đáy và nắp nối với vỏ bằng mặt bích có bulông ghép chắc Trên vỏ, nắp và đáy có cửa ( ống nối ) để dẫn chất tải nhiệt Thiết bị được cài đặt trên giá đỡ bằng tai treo hàn vào vỏ Các ống lắp trên lưới ống cần phải kín bằng cách nong hoặc hàn, đôi khi người ta còn dùng đệm để ghép kín

thiết bị

3- Đáy dưới 4- Mặt bích và bu lông 5- Ống truyền nhiệt 6+7- Lưới đỡ ống 8- Tai đỡ

 Các ống trao đổi nhiệt bên trong có thể bố trí theo hình lục giác đều, hình tròn đồng tâm, hình vuông

30 105

2 Nguyên lý làm việc

Dung dịch CH3COOH 80 % đi từ dưới đáy qua các ống lên trên và ra khỏi thiết bị, còn hơi nước bão hòa đi vào từ cửa trái của vỏ vào khoảng trống giữa các ống và vỏ, sau khi trao đổi nhiệt ở thân (hơi nước bão hòa truyền nhiệt cho hỗn hợp) rồi đi ra phía dưới bên phải

B TÍNH TOÁN

Chọn thông số kỹ thuật:

 Chọn vật liệu thép CT3

 Chiều cao của ống: H = 1,5 (m )

 Chuẩn số Reynolds: Re = 10.103

 Đường kính ống: d = 34x2 mm

 Bề dày ống truyền nhiệt: δ = 2 mm = 0,002 m

I Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể:

Ở 7at, hơi nước bão hòa có to = 164,2 oC, ta chọn thđ = 164,2(oC)

 Hiệu số nhiệt độ lớn:

∆T' = 164,2 – 30 = 134,2(oC)

164,2

 Hiệu số nhiệt độ bé:

∆T '' = 164,2 – 105 = 59,2 (oC)

 Nhiệt độ trung bình của hai lưu thể được xác định:

 ∆Tlog =

∆ T '

−∆ T ''

ln ⁡( ∆T '

∆ T ' ')

=91,6 (oC)

Nhiệt độ trung bình của từng lưu thể là:

Thd = T1tb= 164,2 (oC)

T2tb = T1tb - ∆Tlog = 164,2 – 91,6 =72,6 (oC)

 Tại Tatb = 67,5 (oC) nội suy theo sổ tay quá trình và thiết bị quyển 1:

Cp = 2642 J/kg.độ là nhiệt dung riêng của dung dịch acid CH3COOH 80 %

ρ CH3COOH 80 %=985,55 kg/m3 là khối lượng riêng của dung dịch CH3COOH 80 %

II Tính nhiệt lượng trao đổi Q

Q = Ga.Cp(tc – tđ) Trong đó: Ga - lưu lượng dung dịch CH3COOH 80 %, Ga = 15m3/h = 4,167.10-3

(m3/s);

Cp - nhiệt dung riêng của CH3COOH 80 %tại T2tb = 67,5 oC Với Cp =2642 J/kg.độ

Vậy : Q =15 2642 (105-30) = 2972250(W) =710079 (J/s) Mặt khác vì quá trình trong dòng nóng là ngưng tụ lỏng sôi nên:

Q = Gh r với r = 494,1 (kcal/kg) là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước

→ G h=Q

r=

710079 494,1.10 3 =1,437 m 3

/h

Vậy hơi nước đi vào thiết bị với lưu lượng là 1,437 m3/h

III Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể

Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ theo công thức:

α=1,13 A√4 ∆T H r , W/m2.độ Trong đó: r - Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa, J/kg;

∆T - Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống

truyền nhiệt, oC;

H - chiều cao ống truyền nhiệt (m) ; chọn H = 1,5 m;

A - hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng Sẽ được tra ở bảng 1.5

trang 43 sách bài tập Truyền Nhiệt tác giả Phạm Văn Bôn

 Ứng với Thđ = 164,2 oC nội suy, ta có:

r = 2069,46.103 J/kg

1. Tính lần 1 : giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt

độ thành ống truyền nhiệt là 5 o C.

a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ:

 Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆T = 5 oC

→ tw1= Thđ- ∆T= 164,2 – 5 = 159,2 (oC) Khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là:

t màng=T hđ+t w 1

164,2+159,2

2 =¿161,7 (oC)

Từ tmàng = 161,7 oC tra bảng ta được:

A = 197,17

Vậy : α1=1,13.197,17.√4 2069,46 103

5.1,5 =5106,44 W /m

2 độ

α1 =5106,44W/m2.độ

b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α 2

Chọn Re = 10000

Hệ số cấp nhiệt α được tính theo công thức:

0,25 0,8 0,43

1

Pr 0,021 .Re Pr

Prt

 

2

.

Nu d

Suy ra: α2=0,021.λ dd

d ε ℜ

0,8

Pr0,43.¿

Trong đó :

Prw- chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình của tường (tw) , còn các thông

số khác tính theo nhiệt độ trung bình của dòng (T2tb = 72,6 oC);

ε1-hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống

Ta chọn d = 34x2 mm H = 1,5 m Dựa vào bảng 1.3 ta có :

1,5

50 0,03

l

d   → ε1 = 1

 Tính chuẩn số Pr theo công thức :

.

Pr = Cp 

 Trong đó: Cp - nhiệt độ riêng của hỗn hợp ở T2tb;

μ - độ nhớt của dung dịch ở T2tb;

λ - hệ số dẫn nhiệt độ ở T2tb là 0,2623 (W/(m.K)) bảng 1.130 trang 135 sổ tay quá trình thiết bị

 Tại t2tb = 72,6 oC ta có:

μacid =0,6118.10-3 Ns/m2

μH2O = 0,3984.10-3 Ns/m2

→ lg(μhh) = xF.lg(μacid) + ( 1 – xF ).lg(μH2O)

lg(μhh) = 0,8lg(0,6118.10-3 ) + (1 – 0,8).lg(0,3984.10-3)

→ μhh = 0,5615.10-3 (Ns/m2)

Do đó:Pr= C p μ

2642 0,5615.10−3

0,2623 =5,656

 Tính chuẩn số Prw:

Pr w=C dd μ dd

λ dd

Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:

q1 = α1.∆T =5106,44 5= 25532,2 (W/m2)

q 1 = 25532,2(W/m 2 )

Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống:

∆tw = tw1 – tw2 = q1.∑rt

Trong đó: tt2 - nhiệt độ thành ống phía acid, oC;

∑rw - nhiệt trở ở hai bên ống truyền nhiệt, m2.oC /W

∑r w=r w1+δ

λ+r w 2

Trong đó: rw1, rw2 - nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của tường, m2.độ/W;

δ - bề dày của ống truyền nhiệt, (m); chọn δ = 2 mm = 0,002 m;

λ - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/m.độ; với thép CT3 ta có

λ = 46,5 W/m.độ

Dựa vào bảng [ 3.4 ] ta chọn:

rw1 = 2,299.10-4 , m2.độ/W

rw2 = 1,724.10-4 , m2.độ/W

∑r w=2,299 10 −4

+ 0,002 46,5 +1,724.10

−4

= 4,453.10 −4

(m2. độ

W)

∑rw = 4,453.10-4 (m2.độ/W)

Do đó: ∆tw = q1.∑rw= 25532,2 4,453.10-4 = 11,37 (oC)

→ tw2 = tw1 – ∆tw = 159,2 – 11,37 = 147,83 (oC)

Tại tw2 = 147,83 oC nội suy ta có:

CH2O = 4337,62J/kg.độ

Cacid = 2681,11J/kg.độ

→ Cdd =0,2* CH2O +0,8 * Cacid = 0,2* 4337,62 + 0,8* 2681,11

Cdd = 3012,41 (J/kg.độ)

Tại tw2 = 147,83 oC nội suy ta có:

𝜌H2O =919,27 kg/m3

𝜌acid = 871,91 kg/m3

ρ dd=( 0,8

871,91+

0,2 919,27)

−1

=880,99 (kg

m3)

Tại tw2 = 147.83 oC nội suy ta có:

μ H2O =0,16 10-3 Ns/m2

μ acid =0,46.10-3 Ns/m2

→ lg(μdd) = xF.lg(μH2O) + ( 1 – xF ).lg(μacid)

lg(μdd) = 0,2.lg(0,16.10-3) + (1 – 0,2).lg(0,46.10-3)

→ μdd =0,37.10-3 (Ns/m2)

Tại tw= 147,83 oC ta nội suy được hệ số dẫn nhiệt của dung dịch

λdd = 0,2544 (W/m2.oC)

Pr w=C dd μ dd

λ dd

Pr w= 3012,41∗0,37∗10 −3

0,2544 =4,38

Vậy: α2=0,021.λ dd

d ε ℜ

0,8

Pr0,43.¿

α2=0,021.0,2544

0,03 .1 10000

0,8 5,6560,43.¿

α2 = 633,8 (W/m2.độ)

→ q2 = α2.∆t2 = α2 (tw2 – t2tb ) = 733,33 (147,83 – 72,6)

q 2 = 47680,7 (W/m 2 )

Ở đây ta thấy rằng nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ q 1 = 25532,2W/m2 khác rất xa với nhiệt tải riêng về phía hỗn hợp chảy xoáy q2= 47680,7 W/m2 Mà bài toán ta đang xét là truyền nhiệt

ổn định nên q1= q2= qtb, do vậy, để tìm giá trị qtb ta phải tính lặp

2 Tính lần2: Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa là 10 o C

a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ:

 Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = 10 oC

→ tw1= T1tb- ∆t1= 164,2 – 10= 154,2(oC) Khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là:

t m=t 1 tb+t w1

2 =

164,2+154,2

2 =159,2(oC)

Từ tm = 159,2oC tra bảng ta được:

A = 196,865

Vậy : α=1,13 A√4 ∆T H r

α1=1,13 196,865.√4 2069,46 103

10 1,5

α1 =4287,34 W/m2.độ

b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α 2

Chọn Re = 10000

Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:

q1 = α1.∆t1 =4287,34.10 = 42873,4

q 1 = 42873,4 (W/m 2 )

Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống:

∆tw = tw1 – tw2 = q1.∑rt

Ta có ∑rw = 4,453 10−4 (m2.độ/W)

Do đó: ∆tw = q1.∑rw=42873,4 4,453 10−4= 19,1 (oC)

→ tw2 = tw1 – ∆tw = 154,2 – 19,1 = 135,1 (oC)

Tại tw2 = 135,1 oC nội suy ta có:

Cacid =2614,275 J/kg.độ

CH2O =4308,975 J/kg.độ

→ Cdd = 0,8 Cacid + 0,2 CH2O = 0,8 2614,275 + 0,2 4308,975

Cdd =2953,215 (J/kg.độ)

Tại tw2 = 135,1 oC nội suy ta có:

μ H 2O =0,19274.10-3 Ns/m2

μ acid =0,46.10-3 Ns/m2

→ lg(μdd) = xF.lg(μH2O) + ( 1 – xF ).lg(μacid)

lg(μdd) = 0,2.lg(0,19274.10-3) + (1 – 0,2).lg(0,46.10-3)

→ μdd =0,3865.10-3 (Ns/m2)

Tại tw2 = 135,1 oC nội suy ta có

λ acid=0,14798(m2W ℃)

λ H 2 O=0,688775(m2W ℃)

λdd =0,2 0,688775 + 0,8 0,14798= 0,25614 (W/m2.oC)

Pr w=C dd μ dd

λ dd

Pr w= 2953,215.0,3865.10 −3

0,25614 =4,4562

Vậy: α2=0,021.λ dd

d ε ℜ

0,8

Pr0,43.¿

α2=0,021.0,25614

0,03 .1 10000

0,8 5,6560,43.¿

α 2 = 635,39 (W/m 2 độ)

→ q2 = α2.∆t2 = 635,39 (135,1 - 72,6) q 2 = 39711,875 (W/m 2 )

Dựa vào 2 lần tính, ta có đồ thị:

3 Tính lần 3: Chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa tính theo đồ thị trên là 9,4 o C.

a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ:

Dựa vào đồ thị ta suy ra được ∆t1 = 1,23 oC vậy ta có:

tw1 = T1tb - ∆t1= 164,2 – 9,4 = 154,8 (oC)

t màng=T hđ+t w 1

164,2+154,8

2 = 159,5(oC) – Từ tm = 159,5 oC tra bảng ta được:

A = 196,925

Vậy : α1=1,13.196,925.√4 2069,46 103

9,4 1,5

α1 =4355,51 (W/m2.độ)

b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α 2

Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:

q 1 = α 1 ∆tt 1 = 4355,51 9,4 = 40941,794 (W/m 2 )

Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống:

∆tw = tw1 – tw2 = q1.∑rt= 40941,794 4,453 10-4 = 18,23(oC)

∆tw = 18,23 (oC)

tw2 = tw1 – ∆tw = 154,8 – 18,23 = 136,57 (oC)

∆t2 = tw2 – t2tb = 136,57 – 72,6 = 63,97 (oC)

Tại tw2 =136,57 oC nội suy ta có:

Cacid =2621,99 J/kg.độ

CH2O = 4312,28J/kg.độ

→ Cdd = 0,2 4312,28 + 0,8 2621,99

Cdd =2960,048 (J/kg.độ)

Tại tt2 = 136,57 oC nội suy ta có:

μH20 =0,1889.10-3 Ns/m2

μacid =0,46.10-3 Ns/m2

→ lg(μdd) = xF.lg(μacid) + ( 1 – xF ).lg(μH2O)

lg(μdd) = 0,8.lg(0,46.10-3) + (1 – 0,8).lg(0,1889.10-3)

→ μdd =0,385.10-3 (Ns/m2)

Tại tw2 = 136,57 oC nội suy ta có

λ acid=0,1477(m2W ℃)

λ H 2 O=0,6891(m2W ℃)

λdd =0,2 0,6891+ 0,8 0,1477 = 0,25598(W/m2.oC)

Pr w=C dd μ dd

λ dd

Pr w=2960,048 0,385.10−3

0,25598 =4,452

Vậy: α2=0,021.λ dd

d ε ℜ

0,8

Pr0,43.¿

α2=0,021.0,25598

0,03 .1 10000

0,8 5,6560,43.¿

α2 = 635,14 (W/m2.độ)

→ q2 = α2.∆t2 = 635,14 (136,57 - 72,6)= 40629,91

q 2 = 40629,91 (W/m 2 )

Từ trên ta có:

q tb=q1+q2

2 =

40941,794 +40629,91

2 =40785,852W /m

2

qtb = 40785,852 W/m2

 Kiểm tra sai số

ε= q1−q2

q1 .100 %=

40941,794−40629,91 40941,794 .100 %=0,76 %

ε=0,76 %<10 % ( chấp nhận)

IV Tính bề mặt truyền nhiệt.

F= Q

q tb=

710079 40785,852=17,41(m

2

)

V Số ống truyền nhiệt.

0,03 0,034

0,032

t

Số ống truyền nhiệt:

n= F

π d H=

17,41 3,14.0,032 1,5=116(ống)

n: số ống truyền nhiệt

Dựa bảng quy chuẩn và chọn tổng số ống với cách sắp xếp theo hình lục giác là :

n = 127 ( ống )

 Số ống trên một cạnh của hình 6 cạnh lớn là: 7 ( ống ).

 Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là: 13 ( ống )

 Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân là: 127( ống )

VI Đường kính trong thiết bị đun nóng

D = t.( b – 1 ) + 4.dn ( m)

Trong đó : t – bước ống, thường lấy t = 1,2 – 1,5 dn ;

dn – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt( m);

b – số ống trên đường xuyên tâm sáu cạnh

Vậy: D = 1,4.0,034.(13 – 1 ) + 4.0,032

D = 0,6992 (m)

Làm tròn: D = 0,7 m = 700 mm

VII Tính chiều cao của thiết bị.

Với D = 700 mm,chọn nắp thiết bị hình elip có gờ, tra bảng số liệu ta chọn:

Chiều cao của lắp thiết bị: hl = ht + h

Trong đó dựa bảng số liệu ta có: ht = 100 mm

h = 25 mm

Vậy chiều cao của thiết bị:

L = H + 2.hl = 1,5.1000 + 2.( 100 + 25 ) = 1750 mm

VIII Tính lại vận tốc chia ngăn:

 Xác định vận tốc thực:

ω t= 4 G

π d2 n

G = 1,5 (m3/h) = 4,1667.10−4(m3

s )

n = 127 ống

d = 0,03 m

→ ω t=4.1,1667 10−4

3,14 0,032.127=4,64 10

−3

(m

s)

ωt = 0.00464 (m/s)

 Xác định vận tốc giả thiết:

ω¿=ℜ μ

d ρ=

10000.0,60207 10−3

0,03.985,55

ωgt = 0,2036 (m/s)

Vì: ω¿ −ω t

ω¿ .100 %=

0,2036−4,64 10 −3

0,02036 .100 %=97,7 %>5 %

Nên ta cần phải chia ngăn để quá trình cấp nhiệt ở chế độ xoáy

 Số ngăn:

Số ngăn cần thiết: m= ω¿

ω t=

0,2036 4,64.10 −3 =44

m = 44 ( ngăn )

Quy chuẩn m = 50 ( ngăn )

 Tính lại chuẩn số Reynolds:

4 3

1

4 4.1,5

Re 10647,7 10

37 3,14.0,03. .0,6467.10

4

G

d n

ℜ=4.G m ρ

π d n μ=

4 4,1667.10−4.50 985,55

3,14.0,03 127.0,60207 10−3=11396,7>10000