Bài tập lớn tinh tính toán thiết bị truyền nhiệt

9 Bài tập lớn Truyền Nhiệt 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: bằng thiết bị gia nhiệt loại ống chùm đặt thẳng đứng với: • Lưu lượng dung dịch 15m 3 /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. Dương Quốc Bảo Trịnh Hoàng Phương Nguyên 9 Bài tập lớn Truyền Nhiệt 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. 10\* MERGEFORMAT - Thân thiết bị 2\* MERGEFORMAT 2- Nắp trên 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. Dương Quốc Bảo Trịnh Hoàng Phương Nguyên 164,2 30 105 to oC 9 Bài tập lớn Truyền Nhiệt 2. Nguyên lý làm việc Dung dịch 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 = 10.10 3 . • 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 t o = 164,2 o C, ta chọn t hđ = 164,2( o C) • Hiệu số nhiệt độ lớn: Dương Quốc Bảo Trịnh Hoàng Phương Nguyên 164,2 9 Bài tập lớn Truyền Nhiệt ∆T = 164,2 – 30 = 134,2( o C). • Hiệu số nhiệt độ bé: ∆ = 164,2 – 105 = 59,2 ( o C). • Nhiệt độ trung bình của hai lưu thể được xác định: • ∆T log = =91,6 ( o C). Nhiệt độ trung bình của từng lưu thể là: T hd = T 1tb = 164,2 ( o C) T 2tb = T 1tb - ∆T log = 164,2 – 91,6 =72,6 ( o C) • Tại T atb = 67,5 ( o C) nội suy theo sổ tay quá trình và thiết bị quyển 1: C p = 2642 J/kg.độ là nhiệt dung riêng của dung dịch acid =985,55 kg/m 3 là khối lượng riêng của dung dịch II. Tính nhiệt lượng trao đổi Q Q = G a .C p (t c – t đ ) Trong đó: G a - lưu lượng dung dịch , G a = 15m 3 /h = 4,167.10 -3 (m 3 /s); C p - nhiệt dung riêng của tại T 2tb = 67,5 o C Với C p =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 = G h . r với r = 494,1 (kcal/kg) là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước Dương Quốc Bảo Trịnh Hoàng Phương Nguyên 9 Bài tập lớn Truyền Nhiệt Vậy hơi nước đi vào thiết bị với lưu lượng là III. Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ theo công thức: , W/m 2 .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, o C; 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 T hđ = 164,2 o C nội suy, ta có: r = 2069,46.10 3 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 o C → t w1 = T hđ - ∆T= 164,2 – 5 = 159,2 ( o C) Khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: 161,7 ( o C) Từ t màng = 161,7 o C tra bảng ta được: A = 197,17 Vậy : Dương Quốc Bảo Trịnh Hoàng Phương Nguyên 9 Bài tập lớn Truyền Nhiệt α 1 =W/m 2 .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 Pr t Nu ε   =  ÷   2 .Nu d α λ = Suy ra: Trong đó : Pr w - chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình của tường (t w ) , còn các thông số khác tính theo nhiệt độ trung bình của dòng (T 2tb = 72,6 o C); ε 1 - 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 = = → ε 1 = 1 • Tính chuẩn số Pr theo công thức : . Pr = p C µ λ Trong đó: C p - nhiệt độ riêng của hỗn hợp ở T 2tb ; Dương Quốc Bảo Trịnh Hoàng Phương Nguyên 9 Bài tập lớn Truyền Nhiệt μ - độ nhớt của dung dịch ở T 2tb ; λ - hệ số dẫn nhiệt độ ở T 2tb là 0,2623 (W/(m.K)) bảng 1.130 trang 135 sổ tay quá trình thiết bị • Tại t 2tb = 72,6 o C ta có: μ acid =0,6118.10 -3 Ns/m 2 μ H2O = 0,3984.10 -3 Ns/m 2 → lg(μ hh ) = x F .lg(μ acid ) + ( 1 – x F ).lg(μ H2O ) lg(μ hh ) = 0,8lg(0,6118.10 -3 ) + (1 – 0,8).lg(0,3984.10 -3 ) → μ hh = 0,5615.10 -3 (Ns/m 2 ) Do đó: • Tính chuẩn số Pr w : Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: q 1 = α 1 .∆T = . 5= 25532,2 (W/m 2 ) q 1 = 25532,2(W/m 2 ) Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống: ∆t w = t w1 – t w2 = q 1 .∑r t Trong đó: t t2 - nhiệt độ thành ống phía acid, o C; Dương Quốc Bảo Trịnh Hoàng Phương Nguyên 9 Bài tập lớn Truyền Nhiệt ∑r w - nhiệt trở ở hai bên ống truyền nhiệt, m 2 . o C /W Trong đó: r w1 , r w2 - nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của tường, m 2 .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 CT 3 ta có λ = 46,5 W/m.độ. Dựa vào bảng [ 3.4 ] ta chọn: r w1 = 2,299.10 -4 , m 2 .độ/W r w2 = 1,724.10 -4 , m 2 .độ/W ∑r w = 4,453.10 -4 (m 2 .độ/W) Do đó: ∆t w = q 1 .∑r w = 25532,2 . 4,453.10 -4 = 11,37 ( o C) → t w2 = t w1 – ∆t w = 159,2 – 11,37 = 147,83 ( o C) Tại t w2 = 147,83 o C nội suy ta có: C H2O = 4337,62J/kg.độ C acid = 2681,11J/kg.độ → C dd =0,2* C H2O +0,8 * C acid = 0,2* 4337,62 + 0,8* 2681,11 C dd = 3012,41 (J/kg.độ) Tại t w2 = 147,83 o C nội suy ta có: � H2O =919,27 kg/m 3 � acid = 871,91 kg/m 3 Dương Quốc Bảo Trịnh Hoàng Phương Nguyên 9 Bài tập lớn Truyền Nhiệt Tại t w2 = 147.83 o C nội suy ta có: μ H2O =0,16. 10 -3 Ns/m 2 μ acid =0,46.10 -3 Ns/m 2 → lg(μ dd ) = x F .lg(μ H2O ) + ( 1 – x F ).lg(μ acid ) lg(μ dd ) = 0,2.lg(0,16.10 -3 ) + (1 – 0,2).lg(0,46.10 -3 ) → μ dd =0,37.10 -3 (Ns/m 2 ) Tại t w = 147,83 o C ta nội suy được hệ số dẫn nhiệt của dung dịch λ dd = 0,2544 (W/m 2 . o C) Vậy: α 2 = 633,8 (W/m 2 .độ) → q 2 = α 2 .∆t 2 = α 2 . (t w2 – t 2tb ) = 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/m 2 khác rất xa với nhiệt tải riêng về phía hỗn hợp chảy xoáy q 2 = 47680,7 W/m 2 . Mà bài toán ta đang xét là truyền nhiệt ổn định nên q 1 = q 2 = q tb , do vậy, để tìm giá trị q tb ta phải tính lặp. Dương Quốc Bảo Trịnh Hoàng Phương Nguyên 9 Bài tập lớn Truyền Nhiệt 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 ∆t 1 = 10 o C → t w1 = T 1tb - ∆t 1 = 164,2 – 10= 154,2( o C) Khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: ( o C) Từ t m = 159,2 o C tra bảng ta được: A = 196,865 Vậy : α 1 =4287,34 W/m 2 .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: q 1 = α 1 .∆t 1 =4287,34.10 = 42873,4 q 1 = 42873,4 (W/m 2 ) Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống: ∆t w = t w1 – t w2 = q 1 .∑r t Ta có ∑r w = (m 2 .độ/W) Dương Quốc Bảo Trịnh Hoàng Phương Nguyên [...]... Nguyên Bài tập lớn Truyền Nhiệt 9 Vậy: α2 = 635,39 (W/m2.độ) → q2 = α2.∆t2 = 635,39 (135,1 - 72,6) Dựa vào 2 lần tính, ta có đồ thị: Dương Quốc Bảo Trịnh Hoàng Phương Nguyên q2 = 39711,875 (W/m2) Bài tập lớn Truyền Nhiệt 9 q q q 47680,7 1 42873,4 39711,86 q 2 25532,2 10000 10000 5,0 6,0 9,4 10 3 Tính lần 3: Chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa tính theo đồ thị trên là 9,4 oC a) Tính hệ số cấp nhiệt. .. Quốc Bảo Trịnh Hoàng Phương Nguyên Bài tập lớn Truyền Nhiệt 9 • Kiểm tra sai số ( chấp nhận) IV Tính bề mặt truyền nhiệt V Số ống truyền nhiệt d td = dt + d n 0, 03 + 0, 034 = = 0, 032 ( m ) 2 2 Số ống truyền nhiệt: 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... 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 Dương Quốc Bảo Trịnh Hoàng Phương Nguyên Bài tập lớn Truyền Nhiệt 9 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. .. vậy ta có: Dương Quốc Bảo Trịnh Hoàng Phương Nguyên Bài tập lớn Truyền Nhiệt 9 tw1 = T1tb - ∆t1= 164,2 – 9,4 = 154,8 (oC) = 159,5(oC) – Từ tm = 159,5 oC tra bảng ta được: A = 196,925 Vậy : α1 =4355,51 (W/m2.độ) b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 4355,51 9,4 = 40941,794 (W/m2) Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống: ∆tw = tw1 – tw2 = q1.∑rt=... m → ωt = 0.00464 (m/s) • Xác định vận tốc giả thiết: ωgt = 0,2036 (m/s) Vì: Nên ta cần phải chia ngăn để quá trình cấp nhiệt ở chế độ xoáy Dương Quốc Bảo Trịnh Hoàng Phương Nguyên Bài tập lớn Truyền Nhiệt 9 • Số ngăn: Số ngăn cần thiết: m = 44 ( ngăn ) Quy chuẩn m = 50 ( ngăn ) • Tính lại chuẩn số Reynolds: Re = 4.G 4.1,5 = = 10647, 7 > 10 4 π d n1.µ 3,14.0, 03 37 0, 6467.10 −3 4 Dương Quốc Bảo Trịnh... 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: G = 1,5 (/h) = 4,1667 n = 127 ống d = 0,03 m → ωt = 0.00464 (m/s) • Xác định vận tốc giả thiết: ωgt = 0,2036.. .Bài tập lớn Truyền Nhiệt 9 Do đó: ∆tw = q1.∑rw=42873,4 = 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... =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 Dương Quốc Bảo Trịnh Hoàng Phương Nguyên Bài tập lớn Truyền Nhiệt 9 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 . 9 Bài tập lớn Truyền Nhiệt 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. Nguyên 9 Bài tập lớn Truyền Nhiệt • Kiểm tra sai số ( chấp nhận) IV. Tính bề mặt truyền nhiệt. V. Số ống truyền nhiệt. ( ) d 0,03 0,034 0,032 2 2 t n t d d d m + + = = = Số ống truyền nhiệt: . ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước Dương Quốc Bảo Trịnh Hoàng Phương Nguyên 9 Bài tập lớn Truyền Nhiệt Vậy hơi nước đi vào thiết bị với lưu lượng là III. Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể Tính