TÍNH TOÁN THIẾT kế THIẾT bị TRAO đổi NHIỆT

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 Nhóm thực hiện: Lớp học phần : 210409802 TP.Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 11 năm 2011 KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC  TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 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 sản xuất, yêu cầu sử dụng nhiệt lớn ngành công nghiệp khác nhau, nhiệt dùng để nung, sấy, nhiệt luyện, nấu chảy chất ….nguồn nhiệt chuyển từ điện qua lò điện phổ biến thuận tiện, dễ tự động hóa điều chỉnh nhiệt độ lò Trong sinh hoạt đời sống, nhiệt chủ yếu dùng để đun, nấu, nướng, sưởi…nguồn nhiệt chuyển từ điện qua thiệt bị điện bàn là, bếp điện, nồi cơm điện, bình nóng lạnh….đây nguồn 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 kĩ gia nhiệt, với cương vị kỹ sư tương lai, đồng ý môn trình thiết bị truyền nhiệt – Trường ĐH Công nghiệp TP HCM với hướng dẫn tận tình thầy Đỗ Hoài Đức, chúng em thụ thập tài liệu để thực 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 25 oC lên đến nhiệt độ sôi 81oC nước bão hòa ” Do kiến thức thời gian có hạn, lần làm quen với công tác nghiên cứu nên trình thực đề tài không tránh khỏi thiếu sót Kính mong thầy cô bạn góp ý, sửa chữa để đồ án hoàn thiện Nhóm thực Nhóm Lớp DHHD 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 chia làm hai nhóm: thiết bị thiết bị phụ Nhiệm vụ chủ yếu thiết bị trao đổi nhiệt truyền nhiệt từ chất cho chất khác thông qua bề mặt ngăn cách cách tiếp xúc trực tiếp Các thiết bị gia nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt bắt buộc phải có hệ thống thiết bị nên chúng thiết bị Còn thiết bị lại có làm tăng thêm độ tin cậy hiệu kinh tế vận hành song bắt buộc chúng thiết bị phụ Các thiết bị trao đổi nhiệt giữ vai trò định tiêu tiêu hao lượng kim loại thiết bị gia nhiệt Sự làm việc thiết bị trao đổi nhiệt ảnh hưởng lớn đến vấn đề tiêu hao lượng Nếu chúng làm việc không tốt làm tăng nhiệt độ gia nhiệt giảm nhiệt độ sôi tác nhân gia nhiệt, dẫn đến tình trạng tăng công suất tiêu hao cho máy gia nhiệt Ngoài trình khí động thủy động chu trình có ảnh hưởng trực tiếp đến vấn đề tiêu hao lượng máy nén, máy bơm, quạt gió máy khuấy trình vận hành Cho nên trình thiết kế chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt cần đảm bảo yêu cầu như: truyền nhiệt tốt, trở lực thủy lực nhỏ, cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, vật liệu rẻ tiền, nhỏ gọn chắn, dễ dàng lắp đặt sửa chữa, tin cậy, an toàn, đại thẫm mĩ 1.2 VÀI NÉT VỀ THIẾT BỊ GIA NHIỆT ( ỐNG CHÙM) 1.2.1 Khái niệm Trong sản xuất hay sống , cần đốt nóng hay làm nguội môi chất ( lỏng, khí rắn) ta thường sử dụng thiết bị để thực trình truyền nhiệt nhằm đáp ứng yêu cầu thiết bị thiết bị trao đổi nhiệt 1.2.2 Cấu tạo Thiết bị gia nhiệt loại ống chùm có cấu tạo hình gồm vỏ hình trụ, hai đầu hàn với hai mặt sang dùng để lắp ống trao đổi nhiệt cách thép vào lỗ mặt sang Hai thiết bị nối với vỏ mặt bích bu long Trên vỏ nắp có ống cụt cửa để dẫn chất tải nhiệt vào Các ống trao đổi nhiệt lắp kín vào mặt sang cách lốc chặt ống vào mặt sang hàn ống vào mặt sang Các ống bố trí mặt sang bố trí theo hình lục giác , hình tròn đồng tâm 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 họa ình 6: Tam giác (30o), hình tam giác xoay(60o), hình vuông (90o), hình thoi (45o) Mô hình tam giác tam giác xoay chứa nhiều ống so với mô hình hình vuông hình thoi Ngoài ra, kiểu tam giác có khả tạo chảy rối cao dẫn đến hệ số truyền nhiệt cao Tuy nhiên, bước ống 1,25 lần O.D khó khăn việc vệ sinh ống đường dẫn vào Do đó, bố trí theo kiểu tam giác bị giới hạn công đoạn vệ sinh Đối với thiết bị đòi hỏi phải vệ sinh máy phần vỏ kiểu bố trí theo hình vuông sử dụng Việc vệ sinh hóa chất không đòi hỏi phải có lối vào, nên kiểu tam giác sử dụng cho trường hợp làm vỏ thực bằng hóa chất thích hợp có hiệu Kiểu tam giác quay có ưu điểm trội so với kiểu tam giác, sử dụng phổ biến Đối với thiết bị phải vệ sinh vỏ, bố trí theo kiểu vuông thường sử dụng Tuy nhiên, kiểu nội dòng nên tạo dòng chảy xoáy thấp Do đó, số Re phía vỏ thấp (< 2,000), sử dụng kiểu vuông quay thuận lợi kiểu tạo dòng chảy xoáy cao nhiều, nhờ mà đem lại hiệu suất chuyển đổi từ tổn thất áp suất thành trao đổi nhiệt cao Như trình bày phần trước, kết cấu ống cố định thường sử dụng cho trường hợp cần làm phía ngoài, kết cấu ống hình chữ U cho phù hợp cho vệ sinh ống, kết đầu phao phù hợp cho vệ sinh vỏ ống ( Đối với trường hợp vệ sinh cho vỏ ống, sử dụng kết cấu kiểu ống cố định ống hình chữ U, kiểu ống hình chữ U ưa chọn cho phép giản nở lớn vỏ ống.) Bởi vậy, kiểu ống tam giác sử dụng cho thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống cố định, kiểu vuông (hoặc vuông quay) sử dụng cho thiết bị trao đổi nhiệt điểu đầu phao Đối với thiết bị trao đổi nhiệt có ống hình chữ U sử dụng kiểu tam giác với điều kiện dòng chảy vỏ sạch, bẩn sử dụng kiểu vuông (hoặc hình thoi) b Bước ống Bước ống khoảng cách nhỏ hai ống liền kề Đối với kiểu bố trí tam giác, TEMA xác định bước ống tối thiểu 1,25 lần đường kính ống Do đó, bước ống 25mm thường dùng cho ống có đường kính 20 mm Đối với kiểu bố trí vuông, TEMA khuyến cáo thêm chiều rộng dành cho vệ sinh 1/4 in (hay mm) hai ống liền kề Do đó, bước ống tối thiểu cho kiểu bố trí ống theo hình vuông 1,25 lần đường kính ống đường kính ống cộng thêm mm, tùy giá trị lớn Ví dụ, với ống 20 mm phải đặt bước ống 26 mm (20 mm + mm) với ống 25 mm phải đặt bước ống 31.25mm (25 mm x 1.25) Các nhà thiết kế khuyến cáo nên sử dụng bước ống tối thiểu đường kỉnh vỏ nhỏ số lượng ống cho trước Tuy nhiên, trường hợp ngoại lệ, ví dụ nhằm giảm tổn thất áp suất v, bước ống tăng lên giá trị cao Điều đặc biệt trường hợp loại vỏ chéo dòng 1.2.3 Nguyên lý hoạt động Để thực trình trao đổi nhiệt, hai môi chất trao đổi nhiệt với thông qua vách ống Thông thường, cho môi chất lỏng ống để dễ làm sạch, môi chất hơi(hoặc kín) ống Môi chất nóng bố trí ống nhằm tăng khả trao đổi nhiệt giảm lượng nhiệt thất thoát môi trường 1.2.4 Ưu , nhược điểm Các thiết bị ống chùm dùng phổ biến công nghiệp, đặc biệt công nghiệp hóa chất , thực phẩm…vì có ưu điểm kết cấu gọn, chắn, công nghệ chế tạo không phức tạp, bề mặt truyền nhiệt lớn dễ làm bên ống tuyền nhiệt( trừ thiết bị có ống truyền nhiệt hình chữ U) Nhược điểm thiết bị khó chế tạo vật liệu giòn gang thép silic… Việc tăng khả trao đổi nhiệt chác cho môi chất đổi chiều nhiều lần chắn gọi thiết bị trao đổi nhiệt loại 1-2 1.2.5 Lắp đặt Thiết bị vỏ ống chùm đặt nằm ngang đứng Khi thiết bị đặt nằm ngang, chất lỏng chiếm đầy ống chuyển động ống Khi thiết bị đặt thẳng đứng, chất lỏng xung quanh bề mặt ống chảy từ xuống CHƯƠNG CƠ SỞ LÍ THUYẾT TÍNH TOÁN 2.1 CHỌN MÔI CHẤT NÓNG Mỗi chất tải nhiệt có ưu nhược điểm riêng khả ứng dụng khác Tùy trường hợp cụ thể, ta chọn nguồn nhiệt thích hợp Khi chọn nguồn nhiệt, cần ý điều kiện sau: • • • • • • Nhiệt độ đun nóng Khả điều chỉnh nhiệt độ Độ độc tính hoạt động hóa học Độ an toàn đun nóng Tính kinh tế Khả đáp ứng Môi chất nóng (tác nhân gia nhiệt) chất sử dụng chu trình nhiệt động ngược chiều để tỏa nhiệt môi trường cần gia nhiệt có nhiệt độ cao tải nhiệt môi trường có nhiệt độ cao thấp Một môi chất đáp ứng tất yêu cầu môi chất nóng coi môi chất nóng lí tưởng Nhưng thực tế môi chất nóng lí tưởng mà có môi chất đáp ứng hay nhiều yêu cầu môi chất lạnh Khi chọn môi chất cho ứng dụng cụ thể, cần phát huy tối đa ưu điểm hạn chế đến mức thấp nhược điểm Trong giới hạn đề tài ta chọn môi chất nóng nước bão hòa với áp suất at làm môi chất nóng để gia nhiệt cho rượu etylic 2.2 Chọn chu trình gia nhiệt Các kết thực nghiệm cho biết hiệu suất trình gia nhiệt trình hai lưu chất chảy ngược chiều cao hiệu suất hai lưu chất chảy xuôi chiều, muốn cho trình tính toán thiết kế thiết bị đạt hiệu suất cao ta nên chọn trình gia nhiệt hai môi chất chảy ngược chiều, từ hiệu suất trình gia nhiệt cao sai số kết tính toán tương đối chấp nhận 2.3 Chọn tốc độ dòng môi chất Khi tốc độ dòng lưu chất tăng () K tăng, làm trình trao đổi nhiệt diễn tốt làm tăng p công suất tiêu hao bơm quạt sử dụng Do cần chọn tốc độ dòng môi chất hợp lý để giảm chi phí vận hành, tăng hiệu kinh tế Bài toán tối ưu cho biết nên chọn tốc độ môi chất hợp lý theo bảng sau: Môi chất (m/s) Chất lỏng có ν nhỏ (H2O, glycol) 0.5 ÷3 Chất lỏng nhớt cao (dầu, dd NaCl) 0.2 ÷1 Khí + bụi pk ( khói, khí bụi) ÷ 10 Khí pk ( không khí ) 12 ÷ 16 Khí nén p > pk ( khí nén) 15 ÷ 30 Hơi bảo hoà 30 ÷ 60 Hơi nhiệt 30 ÷ 75 Bảng 2.3 Khoảng giá trị hợp lý vận tốc môi chất Theo bảng khoảng giá trị hợp lý vận tốc môi chất, ta chọn tốc độ dòng môi chất nóng ( nước bão hòa) trình tính toán thiết kế thiết bị = 60 (m/s) tốc độ dòng môi chất hợp lý trình truyền nhiệt diễn cách hiệu 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 nước bão hòa có áp suất tuyệt đối 2at với suất dòng rượu 5m3/h Yêu cầu: - Phân bố dòng nóng, dòng lạnh thiết bị - Xác định lượng nước cần dùng - Vẽ sơ đồ khối tính toán để xác định hệ số truyền nhiệt thiết bị - Xác định bề mặt truyền nhiệt thiết bị từ chọn 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 xác định bề mặt truyền nhiệt kích thước hình học chủ yếu bình ngưng Các thông số ban đầu • • • • Nhiệt độ rượu etylic lúc vào Tlv= 25oC Nhiệt độ rượu etylic lúc Tlr= 81oC Vận tốc dòng rượu vào rượu = m3/h Tra bảng 57 bảng tra cứu trình học truyền nhiệt truyền khối ta có nhiệt độ nước bảo hòa 2at (2 kg/cm2) Tnv = 119,6 oC • Chọn nhiệt độ nước bão hòa Tnr = 90oC • Chọn vận tốc dòng nóng = 60 m/s • Chọn chiều chuyển động lưu chất ống trình chảy song song ngược chiều a) Tính lưu lượng dòng nước bão hòa vào thiết bị Nhiệt độ trung bình rượu etylic trình gia nhiệt:Ttb = = =53oC Tại 60oC l = 910 kg/m3 Tại 40oC l = 923 kg/m3 (bảng I.2 sổ tay trình thiết bị tập 1) Khối lượng riêng rượu etylic 40% 40oC l = 923 kg/m3 Khối lượng riêng rượu etylic 40% 60oC l = 910 kg/m3 Khối lượng riêng rượu etylic 40% 53oC l = 914,55 kg/m3 (bảng I.2 sổ tay trình thiết bị tập 1) Nhiệt dung riêng rượu etylic 40% 53oC Cl = 0.67 Kcal/kgoC = 2,804 KJ/kgoC (Hình XI bảng tra cứu trình học- truyền nhiệt- truyền khối) Lưu lượng khối lượng rượu etylic: Gl = = 1.27 kg/s Hiệu số nhiệt độ dòng lạnh: Tl = 81-25 = 56oC Nhiệt lượng dòng lạnh thu vào: Ql = Gl.Cl.Tl = 1.27 2804.56 = 199420 (W) Nhiệt độ trung bình nước bão hòa trình gia nhiệt: Ttb = = =104.8oC Tại 100oC at n = 1,01 Kcal/kgoC =4,23 KJ/kgoC Tại 120oC at n = 0,552 Kcal/kgoC = 4,23 KJ/kgoC Nhiệt dung riêng nước bão hòa 104,8oC Cn = 4,23 KJ/kgoC Khối lượng riêng nước bão hòa 104,8oC n =954,5 kg/m3(tại 105oC theo bảng 56 58 bảng tra cứu trình học -truyền nhiệt- truyền khối) Hiệu số nhiệt độ dòng nóng: Tn = 119,6 - 90 = 29.6oC Phương trình cân nhiệt lượng Qn = Ql => Gn.Cn.Tn = 209202 => Gn = 1,59 kg/s b)Hệ số truyền nhiệt thiết bị Tmax= Tnóng – Tlạnh vào = 85 – 25 = 60 (oC) Tmin = Tnóng vào – Tlạnh = 119,6 – 81 = 38.6 (oC) Tlog = = 48,5 (oC) Lưu lượng thể tích dòng nóng là: Vn = = 2,26 (m3/s) Tiết diện dòng nóng : = => Fn = = = 0.038 m2 Dòng nước bão hòa dòng nóng nên chảy ống Tiết diện ống F = = = 1,256 (m2) Ta có Fn = F.n => n = = = 30,25 = 30 (ống) Ktn = = 86789,6 (W/m2 oC) Hệ số Renold dòng lạnh Rel = = = 72893 Dtd = = = 0,126 (m) Độ nhớt rượu etilic 50oC μ = 9,2 N.m/s2 Độ nhớt rượu etilic 60oC = 5,4 N.m/s2  Độ nhớt rượu etilic 53oC μ = 8,06 N.m/s2 (bảng I.101 sổ tay trình thiết bị tập 1) c) Tính hệ số cấp nhiệt dòng nóng Hệ số Reynold dòng nóng: Ren = = = 133829 Độ nhớt nước bão hòa 110oC = 124 N.m/s2 d) Độ nhớt nước bão hòa 100oC = 133 N.m/s2 (bảng I.121 sổ tay trình thiết bị tập 1) Nu = 0,021 Re0,8 Pr0,43 ()0,25 Ta có: Pr100=1,75 Pr110 = 1,58 → Pr 104,8 = 1,66 Pr120= 1,43 → Pr119,6 = 1,45 = 0,68 (w/m.oC) 119,6 → 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) Bề mặt truyền nhiệt f = = = 1,043 (m2) kết luận: - Dòng nóng dòng lạnh chảy ngược chiều Lượng nước cần dùng 2,1 (kg/s) Hệ số truyền nhiệt thiết bị 86789,6 (W/m2 oC) Bề mặt truyền nhiệt thiết bị 1,043 (m2) Đường kính ống cho dòng nóng chảy là: 0,04m, chọn chiều dài 3m, đường kính ống cho rượu etylic chảy 0,4m, số lượng ống cần dùng 30 ống e) Sơ đồ nguyên tắc làm việc thiết bị Do kết cấu thiết bị thiết bị kiểu ống chùm nên chọn lưu thể (không tạo cặn bẩn bề mặt truyền nhiệt, làm giảm hệ số dẫn nhiệt α) cho khoảng không gian ống lưu thể tạo cặn bẩn trình làm việc cho khoảng không gian ống mặt khác, lưu thể làm việc áp suất lớn cần thay đổi vận tốc lưu thể cần cho khoảng không gian ống ống chịu áp tốt vỏ cần thay đổi vận tốc lưu thể bơm Như với này, ta cho rượu etylic khoảng không gian ống theo hướng từ trái qua phải nước bão hòa khoảng không gian ống theo hướng từ phải qua trái Hơi nước bão hòa vào không thiết bị cung cấp nhiệt lượng đun nóng hỗn hợp gián tiếp qua ống chùm Kết luận [...]... 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... 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) 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/m2 oC) Bề mặt truyền nhiệt của thiết bị là 1,043 (m2) Đường kính của ống cho dòng nóng chảy là: 0,04m,...  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 d) 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... 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 Kết luận ...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 ... TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT CỦA HỆ THỐNG GIA NHIỆT Thiết bị trao đổi nhiệt theo chức chia làm hai nhóm: thiết bị thiết bị phụ Nhiệm vụ chủ yếu thiết bị trao đổi nhiệt truyền nhiệt từ chất... thiết kế thiết bị = 60 (m/s) tốc độ dòng môi chất hợp lý trình truyền nhiệt diễn cách hiệu 2.3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG CHÙM Tính toán thiết kế thiết bị truyền nhiệt loại ống... thiết bị gia nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt bắt buộc phải có hệ thống thiết bị nên chúng thiết bị Còn thiết bị lại có làm tăng thêm độ tin cậy hiệu kinh tế vận hành song bắt buộc chúng thiết bị