TÍNH TOÁN THIẾT kế THIẾT bị TRAO đổi NHIỆT

Trong sinh hoạt đời sống, nhiệt năng chủ yếu dùng để đun, nấu, nướng, sưởi…nguồn nhiệt năng cũng được chuyển từ điện năng qua các thiệt bị điện như bàn là, bếp điện, nồi cơm điện, bình n

TRUNG TÂM MÁY VÀ THIẾT BỊ



TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT

TÊN ĐỀ TÀI:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ

TRAO ĐỔI NHIỆT

Giảng viên hướng dẫn: TH.s ĐỖ HOÀI ĐỨC

Lớp học phần : 210409802

TP.Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 11 năm 2011

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC



TÊN ĐỀ TÀI:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ

TRAO ĐỔI NHIỆT

TP.Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 11 năm 2011

MỞ ĐẦU

Trong đời sống cũng như sản xuất, yêu cầu về sử dụng nhiệt năng rất lớn trong các ngành công nghiệp khác nhau, nhiệt năng dùng để nung, sấy, nhiệt luyện, nấu chảy các chất ….nguồn nhiệt năng này được chuyển từ điện năng qua các lò điện là phổ biến vì nó rất thuận tiện, dễ tự động hóa điều chỉnh nhiệt độ trong lò

Trong sinh hoạt đời sống, nhiệt năng chủ yếu dùng để đun, nấu, nướng, sưởi…nguồn nhiệt năng cũng được chuyển từ điện năng qua các thiệt bị điện như bàn là, bếp điện, nồi cơm điện, bình nóng lạnh….đây là nguồn năng lượng sạch, không gây nên khói, bụi nên không ảnh hưởng đến môi trường sống, sử dụng thuận tiện dễ dàng

Để tìm hiểu sâu về kĩ gia nhiệt, với cương vị là một kỹ sư trong tương lai, được đồng ý của bộ môn quá trình và thiết bị truyền nhiệt – Trường ĐH Công nghiệp TP HCM cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy Đỗ Hoài Đức, chúng em đã thụ thập tài liệu để thực hiện đề tài tiểu luận “Tính toán thiết kế thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm nằm ngang dùng để gia nhiệt rượu etylic có nồng độ 40%mol từ 25oC lên đến nhiệt độ sôi 81oC bằng hơi nước bão hòa”

Do kiến thức và thời gian có hạn, lần đầu tiên làm quen với công tác nghiên cứu nên quá trình thực hiện đề tài này không tránh khỏi được những thiếu sót Kính mong các thầy cô

và các bạn góp ý, sửa chữa để đồ án được hoàn thiện hơn

Nhóm thực hiện Nhóm 5 Lớp DHHD 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT CỦA HỆ THỐNG GIA NHIỆT

Thiết bị trao đổi nhiệt theo chức năng có thể chia làm hai nhóm: thiết bị chính và thiết bị phụ Nhiệm vụ chủ yếu của thiết bị trao đổi nhiệt là truyền nhiệt từ một chất này cho một chất khác thông qua bề mặt ngăn cách hoặc bằng cách tiếp xúc trực tiếp Các thiết bị gia nhiệt là những thiết bị trao đổi nhiệt bắt buộc phải có trong hệ thống thiết bị nên chúng là

những thiết bị chính Còn những thiết bị còn lại mặc dù có làm tăng thêm độ tin cậy và hiệu quả kinh tế trong vận hành song không phải là bắt buộc cho nên chúng là các thiết bị phụ

Các thiết bị trao đổi nhiệt giữ vai trò quyết định đối với các chỉ tiêu về tiêu hao năng lượng cũng như về kim loại của thiết bị gia nhiệt Sự làm việc của các thiết bị trao đổi nhiệt cũng ảnh hưởng rất lớn đến vấn đề tiêu hao năng lượng Nếu chúng làm việc không tốt thì có thể làm tăng nhiệt độ gia nhiệt và giảm nhiệt độ sôi của tác nhân gia nhiệt, dẫn đến tình trạng tăng công suất tiêu hao cho máy gia nhiệt Ngoài ra các quá trình khí động của thủy động trong chu trình có ảnh hưởng trực tiếp đến vấn đề tiêu hao năng lượng của máy nén, máy bơm, quạt gió và máy khuấy trong quá trình vận hành Cho nên trong quá trình thiết kế và chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt cần đảm bảo các yêu cầu như: truyền nhiệt tốt, trở lực thủy lực nhỏ, cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, vật liệu rẻ tiền, nhỏ gọn và chắc chắn, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa, tin cậy, an toàn, hiện đại và thẫm mĩ

1.2 VÀI NÉT VỀ THIẾT BỊ GIA NHIỆT ( ỐNG CHÙM)

1.2.1 Khái niệm

Trong sản xuất hay cuộc sống , khi cần đốt nóng hay làm nguội một môi chất ( lỏng, khí

hoặc rắn) ta thường sử dụng các thiết bị để thực hiện các quá trình truyền nhiệt nhằm đáp ứng yêu cầu này các thiết bị đó là thiết bị trao đổi nhiệt

1.2.2 Cấu tạo

Thiết bị gia nhiệt loại ống chùm có cấu tạo như hình gồm 2 vỏ hình trụ, hai đầu hàn với hai mặt sang dùng để lắp các ống trao đổi nhiệt bằng cách thép chắc vào lỗ mặt sang Hai thiết bị được nối với vỏ bằng mặt bích và các bu long Trên vỏ và nắp có các ống cụt là các cửa để dẫn chất tải nhiệt vào và ra Các ống trao đổi nhiệt được lắp chắc và kín vào mặt sang bằng cách lốc chặt ống vào mặt sang hoặc hàn ống vào mặt sang Các ống bố trí trên mặt sang có thể bố trí theo hình lục giác đều , hình tròn đồng tâm hoặc theo hình vuông

Hình 1.2.2 :Cấu tạo thiết bị ống chùm

a. Các kiểu bố trí ống

Có bốn kiểu bố trí ống như mình họa trong ình 6: Tam giác (30o), hình tam giác xoay(60o), hình vuông (90o), và hình thoi (45o)

Mô hình tam giác và tam giác xoay chứa nhiều ống hơn so với mô hình hình vuông hoặc hình thoi Ngoài ra, kiểu tam giác có khả năng tạo chảy rối cao dẫn đến hệ số truyền nhiệt cao Tuy nhiên, nếu bước ống bằng 1,25 lần O.D thì rất khó khăn trong việc vệ sinh ống

vì không có đường dẫn vào Do đó, bố trí theo kiểu tam giác sẽ bị giới hạn bởi công đoạn

vệ sinh Đối với những thiết bị đòi hỏi phải vệ sinh bằng máy trên phần vỏ thì kiểu bố trí

theo hình vuông được sử dụng Việc vệ sinh bằng hóa chất không đòi hỏi phải có lối vào, nên kiểu tam giác có thể được sử dụng cho các trường hợp làm sạch vỏ được thực hiện bằng bằng hóa chất là thích hợp và có hiệu quả

Kiểu tam giác quay hiếm khi có ưu điểm gì trội hơn so với kiểu tam giác, và do đó ít được sử dụng phổ biến

Đối với thiết bị phải vệ sinh vỏ, bố trí theo kiểu vuông thường được sử dụng Tuy nhiên,

vì đây là kiểu nội dòng nên tạo dòng chảy xoáy thấp hơn Do đó, khi số Re phía vỏ thấp (< 2,000), sử dụng kiểu vuông quay sẽ thuận lợi hơn vì kiểu này tạo ra dòng chảy xoáy cao hơn nhiều, nhờ đó mà đem lại hiệu suất chuyển đổi từ tổn thất áp suất thành trao đổi nhiệt cao hơn

Như đã trình bày ở phần trước, kết cấu tấm ống cố định thường được sử dụng cho trường hợp cần làm sạch phía ngoài, kết cấu ống hình chữ U cho phù hợp cho vệ sinh ống, và kết đầu phao phù hợp cho vệ sinh cả vỏ và ống ( Đối với trường hợp vệ sinh cho cả vỏ và ống, có thể sử dụng kết cấu kiểu tấm ống cố định hoặc ống hình chữ U, mặc dù kiểu ống hình chữ U được ưa chọn hơn vì nó cho phép giản nở lớn hơn giữa vỏ và ống.) Bởi vậy, kiểu ống tam giác có thể sử dụng cho các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm ống cố định, còn kiểu vuông (hoặc vuông quay) sử dụng cho thiết bị trao đổi nhiệt điểu đầu phao Đối với các thiết bị trao đổi nhiệt có ống hình chữ U thì có thể sử dụng kiểu tam giác với điều kiện là dòng chảy trong vỏ sạch, còn nếu bẩn thì sử dụng kiểu vuông (hoặc hình thoi)

b. Bước ống

Bước ống là khoảng cách nhỏ nhất giữa hai ống liền kề

Đối với kiểu bố trí tam giác, TEMA xác định bước ống tối thiểu bằng 1,25 lần đường kính trong của ống Do đó, bước ống 25mm thường được dùng cho các ống có đường kính trong 20 mm

Đối với các kiểu bố trí vuông, TEMA khuyến cáo thêm chiều rộng dành cho vệ sinh là 1/4 in (hay 6 mm) giữa hai ống liền kề Do đó, bước ống tối thiểu cho kiểu bố trí ống theo hình vuông hoặc là bằng 1,25 lần đường kính trong của ống hoặc bằng đường kính trong ống cộng thêm 6 mm, tùy giá trị nào lớn hơn Ví dụ, với ống 20 mm phải đặt bước ống là 26 mm (20 mm + 6 mm) nhưng với ống 25 mm phải được đặt bước ống là

31.25-mm (25 31.25-mm x 1.25)

Các nhà thiết kế được khuyến cáo nên sử dụng bước ống tối thiểu vì khi đó đường kỉnh

vỏ sẽ nhỏ nhất đối với một số lượng ống cho trước Tuy nhiên, trong các trường hợp ngoại lệ, ví dụ nhằm giảm tổn thất áp suất trong v, bước ống có thể tăng lên giá trị cao hơn Điều này đặc biệt đúng trong trường hợp loại vỏ chéo dòng

1.2.3 Nguyên lý hoạt động

Để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt, hai môi chất trao đổi nhiệt với nhau thông qua vách ống Thông thường, cho môi chất lỏng đi trong ống để dễ làm sạch, môi chất hơi(hoặc kín) đi ngoài ống Môi chất nóng được bố trí đi trong ống còn nhằm tăng khả năng trao đổi nhiệt và giảm lượng nhiệt thất thoát ra môi trường

1.2.4 Ưu , nhược điểm

Các thiết bị ống chùm được dùng phổ biến nhất trong công nghiệp, đặc biệt trong công nghiệp hóa chất , thực phẩm…vì có ưu điểm là kết cấu gọn, chắc chắn, công nghệ chế tạo không phức tạp, bề mặt truyền nhiệt lớn và dễ làm sạch bên trong ống tuyền nhiệt( trừ thiết bị có ống truyền nhiệt hình chữ U)

Nhược điểm là thiết bị này khó chế tạo bằng vật liệu giòn như gang hoặc thép silic… Việc tăng khả năng trao đổi nhiệt bằng chác cho môi chất đổi chiều nhiều lần bằng các tấm chắn được gọi là thiết bị trao đổi nhiệt loại 1-2

1.2.5 Lắp đặt

Thiết bị vỏ ống chùm có thể đặt nằm ngang hoặc đứng

Khi thiết bị đặt nằm ngang, chất lỏng chiếm đầy ống và chuyển động trong ống

Khi thiết bị đặt thẳng đứng, chất lỏng xung quanh bề mặt trong của ống và chảy từ trên xuống

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT TÍNH TOÁN

2.1 CHỌN MÔI CHẤT NÓNG

Mỗi chất tải nhiệt đều có ưu nhược điểm riêng và khả năng ứng dụng khác nhau Tùy những trường hợp cụ thể, ta chọn nguồn nhiệt thích hợp Khi chọn nguồn nhiệt, cần chú ý các điều kiện sau:

• Nhiệt độ đun nóng

• Khả năng điều chỉnh nhiệt độ

• Độ độc và tính hoạt động hóa học

• Độ an toàn khi đun nóng

• Tính kinh tế

• Khả năng đáp ứng

Môi chất nóng (tác nhân gia nhiệt) là chất sử dụng trong chu trình nhiệt động ngược chiều

để tỏa nhiệt ra môi trường cần gia nhiệt có nhiệt độ cao và tải nhiệt ra môi trường có nhiệt

độ cao thấp hơn

Một môi chất đáp ứng được tất cả các yêu cầu của môi chất nóng được coi là môi chất nóng lí tưởng Nhưng thực tế không có môi chất nóng lí tưởng mà chỉ có môi chất đáp ứng được ít hay nhiều các yêu cầu của môi chất lạnh Khi chọn môi chất cho một ứng dụng cụ thể, cần phát huy tối đa các ưu điểm và hạn chế đến mức thấp nhất các nhược điểm của nó

Trong giới hạn của đề tài này ta chọn môi chất nóng là hơi nước bão hòa với áp suất là 2

at làm môi chất nóng để gia nhiệt cho rượu etylic

2.2 Chọn chu trình gia nhiệt

Các kết quả thực nghiệm cho biết được rằng hiệu suất quá trình gia nhiệt của quá trình hai lưu chất chảy ngược chiều cao hơn hiệu suất của hai lưu chất chảy xuôi chiều, vì vậy muốn cho quá trình tính toán thiết kế thiết bị đạt được hiệu suất cao nhất có thể ta nên chọn quá trình gia nhiệt hai môi chất chảy ngược chiều, từ đó hiệu suất của quá trình gia nhiệt sẽ cao hơn và sai số của các kết quả tính toán sẽ tương đối được chấp nhận

2.3 Chọn tốc độ dòng môi chất

Khi tốc độ dòng lưu chất tăng () thì và K đều tăng, làm quá trình trao đổi nhiệt diễn ra tốt hơn nhưng cũng làm tăng p và công suất tiêu hao của bơm quạt được sử dụng Do đó cần chọn một tốc độ dòng môi chất hợp lý để giảm chi phí vận hành, tăng hiệu quả kinh tế Bài toán tối ưu cho biết nên chọn tốc độ môi chất hợp lý theo bảng sau:

Chất lỏng có ν nhỏ (H2O, glycol)

Chất lỏng nhớt cao (dầu, dd NaCl)

Khí + bụi ở pk ( khói, khí bụi)

Khí sạch ở pk ( không khí )

Khí nén ở p > pk ( khí nén)

Hơi bảo hoà

Hơi quá nhiệt

0.5 ÷3 0.2 ÷1

6 ÷ 10

12 ÷ 16

15 ÷ 30

30 ÷ 60

30 ÷ 75 Bảng 2.3 Khoảng giá trị hợp lý của vận tốc môi chất

Theo như bảng khoảng giá trị hợp lý của vận tốc môi chất, ta có thể chọn tốc độ dòng môi chất nóng ( hơi nước bão hòa) trong quá trình tính toán thiết kế thiết bị là = 60 (m/s) là tốc độ dòng môi chất hợp lý nhất có thể để cho quá trình truyền nhiệt diễn ra một cách hiệu quả nhất

2.3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG CHÙM

Tính toán thiết kế thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm nằm ngang dùng để gia nhiệt rượu etylic có nồng độ 40%mol từ 25oC lên đến nhiệt độ sôi 81oC bằng hơi nước bão hòa có áp suất tuyệt đối là 2at với năng suất của dòng rượu là 5m3/h Yêu cầu:

- Phân bố dòng nóng, dòng lạnh trong thiết bị

- Xác định lượng hơi nước cần dùng

- Vẽ sơ đồ khối và tính toán để xác định hệ số truyền nhiệt của thiết bị

- Xác định bề mặt truyền nhiệt của thiết bị từ đó chọn và xác định: đường kính, số ống truyền nhiệt, chiều dài thiết bị

- Bố trí số ống truyền nhiệt

Các bước tính toán

Nhiệm vụ tính toán thiết kế là xác định bề mặt truyền nhiệt và các kích thước

hình học chủ yếu của bình ngưng

Các thông số ban đầu

• Nhiệt độ rượu etylic lúc vào Tlv= 25oC

• Nhiệt độ rượu etylic lúc ra Tlr= 81oC

• Vận tốc dòng rượu vào là rượu = 5 m3/h

• Tra bảng 57 bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt truyền khối ta có nhiệt độ hơi nước bảo hòa ở 2at (2 kg/cm2) Tnv = 119,6 oC

• Chọn nhiệt độ hơi nước bão hòa ra là Tnr = 90oC

• Chọn vận tốc dòng nóng = 60 m/s

• Chọn chiều chuyển động của lưu chất trong ống là quá trình chảy song song và ngược chiều

a) Tính lưu lượng dòng hơi nước bão hòa vào thiết bị

Nhiệt độ trung bình rượu etylic trong quá trình gia nhiệt:Ttb = = =53oC

Tại 60oC l = 910 kg/m3

Tại 40oC l = 923 kg/m3 (bảng I.2 sổ tay quá trình thiết bị tập 1)

Khối lượng riêng của rượu etylic 40% tại 40oC là l = 923 kg/m3

Khối lượng riêng của rượu etylic 40% tại 60oC là l = 910 kg/m3

Khối lượng riêng của rượu etylic 40% tại 53oC là l = 914,55 kg/m3 (bảng I.2 sổ tay quá trình thiết bị tập 1)

Nhiệt dung riêng của rượu etylic 40% tại 53oC là Cl = 0.67 Kcal/kgoC = 2,804 KJ/kgoC (Hình XI bảng tra cứu quá trình cơ học- truyền nhiệt- truyền khối)

Lưu lượng khối lượng của rượu etylic: Gl = = 1.27 kg/s

Hiệu số nhiệt độ dòng lạnh: Tl = 81-25 = 56oC

Nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào: Ql = Gl.Cl.Tl = 1.27 2804.56 = 199420 (W)

Nhiệt độ trung bình của hơi nước bão hòa trong quá trình gia nhiệt:

Ttb = = =104.8oC

Tại 100oC tại 2 at là n = 1,01 Kcal/kgoC =4,23 KJ/kgoC Tại 120oC tại 2 at là n = 0,552 Kcal/kgoC = 4,23 KJ/kgoC Nhiệt dung riêng của hơi nước bão hòa tại 104,8oC là Cn = 4,23 KJ/kgoC

Khối lượng riêng của nước bão hòa tại 104,8oC là n =954,5 kg/m3(tại 105oC theo bảng 56

và 58 bảng tra cứu quá trình cơ học -truyền nhiệt- truyền khối)

Hiệu số nhiệt độ dòng nóng: Tn = 119,6 - 90 = 29.6oC

Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Qn = Ql => Gn.Cn.Tn = 209202 => Gn = 1,59 kg/s

b)Hệ số truyền nhiệt của thiết bị

Tmax= Tnóng ra – Tlạnh vào = 85 – 25 = 60 (oC)

Tmin = Tnóng vào – Tlạnh ra = 119,6 – 81 = 38.6 (oC)

Tlog = = 48,5 (oC)

Lưu lượng thể tích của dòng nóng là: Vn = = 2,26 (m3/s)

Tiết diện dòng nóng :

= => Fn = = = 0.038 m2

Dòng hơi nước bão hòa là dòng nóng nên chảy trong ống

Tiết diện của 1 ống là

F = = = 1,256 (m2)

Ta có Fn = F.n => n = = = 30,25 = 30 (ống)

Ktn = = 86789,6 (W/m2. oC)

Hệ số Renold của dòng lạnh

Rel = = = 72893

Dtd = = = 0,126 (m)

Độ nhớt của rượu etilic ở 50oC là μ = 9,2 N.m/s2

Độ nhớt của rượu etilic ở 60oC là = 5,4 N.m/s2

 Độ nhớt của rượu etilic ở 53oC là μ = 8,06 N.m/s2 (bảng I.101 sổ tay quá trình thiết bị tập 1)

c) Tính hệ số cấp nhiệt của dòng nóng

Hệ số Reynold dòng nóng:

Ren = = = 133829

Độ nhớt của hơi nước bão hòa ở 110oC là = 124 N.m/s2

Độ nhớt của hơi nước bão hòa ở 100oC là = 133 N.m/s2

(bảng I.121 sổ tay quá trình thiết bị tập 1)

Nu = 0,021 Re0,8 Pr0,43 ()0,25

Ta có: Pr100=1,75 và Pr110 = 1,58 → Pr 104,8 = 1,66

Pr120= 1,43 → Pr119,6 = 1,45

119,6 = 0,68 (w/m.oC)

→ αn = 0,021 Re0,8 Pr0,43 ()0,25

=0,021 1338290,8 1,660,43 ()0,25 = 5797 (m2/s)

Nhiệt tải : qn = αn Tn = 5797 34,6 = 200576 (w/m2)

d) Bề mặt truyền nhiệt

f = = = 1,043 (m2)

kết luận:

- Dòng nóng và dòng lạnh chảy ngược chiều nhau.

- Lượng hơi nước cần dùng là 2,1 (kg/s).

- Hệ số truyền nhiệt của thiết bị là 86789,6 (W/m 2 o C).

- Bề mặt truyền nhiệt của thiết bị là 1,043 (m 2 ).

- Đường kính của ống cho dòng nóng chảy là: 0,04m, chọn chiều dài là 3m, đường kính ống cho rượu etylic chảy là 0,4m, số lượng ống cần dùng là 30 ống.

e) Sơ đồ và nguyên tắc làm việc của thiết bị

Do kết cấu của thiết bị thiết bị kiểu ống chùm nên chọn lưu thể nào sạch (không tạo ra cặn bẩn trên bề mặt truyền nhiệt, làm giảm hệ số dẫn nhiệt α) sẽ được cho đi trong khoảng không gian ngoài ống lưu thể nào tạo ra cặn bẩn trong quá trình làm việc cho đi ở khoảng không gian trong ống mặt khác, lưu thể nào làm việc tại áp suất lớn hoặc cần thay đổi vận tốc lưu thể cũng cần cho đi ở khoảng không gian trong ống vì ống chịu áp tốt hơn vỏ và khi cần có thể thay đổi vận tốc lưu thể bằng bơm

Như vậy với bài này, ta cho rượu etylic đi ở khoảng không gian ngoài ống theo hướng từ trái qua phải và hơi nước bão hòa đi ở khoảng không gian trong ống theo hướng từ phải qua trái Hơi nước bão hòa khi đi vào không trong thiết bị sẽ cung cấp nhiệt lượng đun nóng hỗn hợp gián tiếp qua ống chùm