trình tự tính toán nhiệt trong ống chùm theo tiêu chuẩn Việt Nam. Các bước tính và cách tra bảng chi tiết. Thích hợp cho kỹ sư hóa môn học cơ sở thiết kế mày. Phần tính nhiệt có thể áp dụng cho tiêu chuẩn ASME. Nhưng đến tính thân đáy này thì không áp dụng được.
Trang 1ỐNG CHÙM THEO TCVN
1 Tính nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị giữa 2 môi chất:
a) Với môi chất là các chất lỏng
Khi không thay đổi trạng thái:
Q = G1CP1(t1đ – t1c) = G2CP2(t2c – t2đ) [1]
Khi một chất tải nhiệt thay đổi trạng thái:
Q = D1(I1 – i1) = G2CP2(t2c – t2đ) [2]
Khi cả hai chất tải nhiệt đều thay đổi trạng thái
-G1 , G2 : lượng chất tải nhiệt khi truyền nhiệt không thay đổi trạng thái, kg/s
-D1 , D2 : lượng chất tải nhiệt khi truyền nhiệt thay đổi trạng thái, kg/s
-CP1, CP2 : nhiệt dung riêng tương ứng với G1,G2, J/kg.oC
-I1 , I2 : nhiệt hàm của hơi, J/kg
-i1, i2 : nhiệt hàm cuả chất lỏng, J/kg
-t1 , t2 : nhiệt độ của hai chất tải nhiệt ( chỉ số đ và c là đầu và cuối ), oC
b) Với môi chất là hơi ngưng tụ ( môi chất là hơi, ngưng tụ trong quá trình trao đổi nhiệt nhưng nhiệt độ không đổi):
-Gh : lượng chất tải nhiệt của hơi, kg/s
-r : ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg
2 Tính nhiệt độ trung bình
Giả sử t1đ > t2đ
Chênh lệch nhiệt độ đầu vào:
Chênh lệch nhiệt độ đầu ra:
Trang 2 t2 = t1c – t2c [6]
Hiệu suất nhiệt độ trung bình giữa 2 môi chất:
ttb =
(
Nhiệt độ trung bình của lưu chất
Dùng nhiệt độ này để tra các thông số vật lý cần thiết trong “Sổ tay Quá trình và Thiết bị tập 1&2”, ĐHBK Hà Nội, nếu lưu chất là lỏng
Nếu lưu chất là hơi ngưng tụ thì nhiệt độ màng ngưng là:
th: nhiệt độ hơi ngưng tT: nhiệt độ thành thiết bị
3 Để tính được các bước tiếp theo ta sẽ phải giả sử nhiệt độ thành ống dẫn nhiệt tiếp xúc với lưu chất ngoài ống và lưu chất trong ống
Sau khi tính toán ta sẽ kiểm tra điều kiện ổ Grn định ở bước 7 , nếu thỏa thì nhận các giả thiết
4 Tính hệ số cấp nhiệt α:
a) Đối với chất lỏng:
α = [10]
- : hệ số dẫn nhiệt, ( W/m2.độ ), tùy theo từng lưu chất và nhiệt độ trung bình của lưu
chất mà tra bảng
-l: kích thước hình học của ống
+ Ống tròn thì l là đường kính trong của ống
+Ống tiết diện khác thì l là đường kính tương đương (dtđ )
-Nu: chuẩn số Nuselt
Cách tính các chuẩn số:
Trang 3Tùy theo là đối lưu tự nhiên hay đối lưu cưỡng bức mà có các cách tính khác nhau
Do trong thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm đa số là đối lưu cưỡng bức do tác dụng của ngoại lực như bơm, quạt,… Nên các công thức chuẩn số sau sẽ tính theo đối lưu cưỡng bức
Chuẩn số Prantl (Pr): đặc trưng cho tính chất vật lý của chất tải nhiệt
-CP : nhiệt dung riêng đẳng áp của chất tải nhiệt, ( J/kg.độ ) (tra bảng )
- : độ nhớt của chất tải nhiệt (N.s/m2) (tra bảng )
- : hệ số dẫn nhiệt ( W/m2.độ) (tra bảng)
Chuẩn số Reynold ( Re ): đặc trưng cho chế độ chuyển động cưỡng bức của
chất tải nhiệt
-l : kích thước hình học
- : tốc độ chuyển động của chất tải nhiệt (m/s) (tra bảng) -ρ : khối lượng riêng của chất tải nhiệt (kg/m3) (tra bảng)
- : độ nhớt của chất tải nhiệt ( Ns/m2) (tra bảng )
Tính chất của chế độ chảy theo Re:
+ Re < 2300 : chảy tầng +2300 < Re < 104 : chảy chuyển tiếp từ chế độ chảy tầng sang chảy rối hay còn gọi là chảy quá độ
+ Re > 104 : chảy rối
CHÚ Ý: trong bài ta không tính Re mà sẽ chọn chế độ chảy rồi chọn
Re bất kỳ ứng với giới hạn trong chế độ chảy đó
Chuẩn số Gratkov ( Gr ): đặc trưng cho chế độ chuyển động trong đối lưu
tự nhiên
-g : gia tốc trọng trường (m/s2)
-l : kích thước hình học (m)
Trang 4-γ : độ nhớt động lực học (m2/s) -µ : đđộ nhớt của chất tải nhiệt (Ns/m2) -ρ : khối lượng riêng của chất tải nhiệt (kg/m3)
- : hệ số dãn nở thể tích theo nhiệt độ của chất tải nhiệt (1/oC) -∆t : hiệu số nhiệt đđộ giữa thành thiết bị với môi trường (oC)
Chuẩn số Nuselt ( Nu ): đặc trưng cho cường độ trao đổi nhiệt giữa chất
tải nhiệt và thành thiết bị
Chế độ chảy tầng với tiết diện ống là hình tròn ( Re < 2300):
Nu = 0,15 d Re0,33.Pr0,43.Gr0,1.(
)
-Pr, Re, Gr tính theo các công thức [11], [12] và [13] với các đại lượng
vật lý lấy theo nhiệt độ trung bình của lưu chất
-PrT tính theo công thức [11] với các đại lượng vật lý tính theo nhiệt độ
thành thiết bi tiếp xúc với lưu chất
Bảng: Trị số của d
L/d td 1 2 5 10 15 20 30 40 50 và lớn hơn
d 1,9 1,7 1,44 1,28 1,18 1,12 1,05 1,2 1,00
-L: chiều dài hay chiều cao ống truyền nhiệt
-dtd: đường kính trong của ống truyền nhiệt
Chế độ chảy quá độ ( 2300 < Re < 10 4 ):
-Re, Pr tính theo công thức [12], [11]
Chế độ chảy rối ( Re > 10 4 ):
Nu = 0,021 k Re0,8 Pr0,43 (
) [16]
Trang 5-Re,Pr tính theo công thức [12],[11] với các đại lượng vật lý tra theo
nhiệt độ của lưu chất
-PrT tính theo công thức [11] với các đại lượng vật lý tra theo nhiệt độ
vách thiết bị tiếp xúc với lưu chất
-Nếu ống có tiết diện tròn thì các chuẩn số tính theo đường kính trong
của ống Với tiết diện bất kỳ thì các chuẩn số tính theo đường kính
Bảng: Trị số của k
Chú ý: Nếu lưu chất là chất khí và không xảy ra ngưng tụ thì công thức [16] ,sẽ đơn
giản hơn nhiều vì khi đó chuẩn số Pr là một đại lượng không đổi, không phụ thuộc vào
nhiệt độ và áp suất ( khi áp suất không lớn lắm ) Do đó, (
) = 1
Trị số gần đúng của chuẩn số Pr đối với một số chất khí như sau:
- Khí đđơn nguyên tử: Pr = 0,67
- Khí hai nguyên tử: Pr = 0,72
- Khí ba nguyên tử: Pr = 0,80
- Khí nhiều nguyên tử: Pr = 1,00
b) Đối với lưu chất là hơi ngưng tụ:
Trường hợp hơi ngưng tụ bên ngoài thành ống thẳng đứng:
α = 2,04 ( ) (W/m2 độ) [17]
-Nếu hơi ngưng tụ là nước thì công thức [17] đơn giản như sau:
Re L/d
1 2 5 10 20 30 40 50 va lon hon 1.104 1,65 1,5 1,34 1,23 1,13 1,07 1,03 1 2.104 1,51 1,4 1,27 1,18 1,1 1,05 1,02 1 5.104 1,34 1,27 1,18 1,13 1,08 1,04 1,02 1 1.105 1,28 1,22 1,15 1,1 1,06 1,03 1,02 1 1.106 1,14 1,11 1,08 1,05 1,03 1,02 1,01 1
Trang 6α = 2,04. tb.A.(
) (W/m2 độ) [18]
Đối với nước, hệ số A có trị số phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm như sau:
Bảng: Hệ số A của nước phụ thuộc vào nhiệt độ màng
t m (oC) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
A 104 120 139 155 169 179 188 194 197 199 199
r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi (J/kg)
ρ: khối lượng riêng của nước ngưng (kg/m3)
: hệ số dẫn nhiệt của nước ngưng (W/m đđộ)
µ: độ nhớt của nước ngưng (Ns/m2)
∆t: hiệu số nhiệt độ giữa hơi ngưng tụ và thành thiết bị (th – tT) tb: hệ số phụ thuộc vào cách sắp xếp ống và số ống trên mỗi dãy đứng thường tra theo đồ thị trong các sổ tay kỹ thuật truyền nhiệt
Chú ý: Đại lượng r phải lấy ở nhiệt độ hơi ngưng tụ th còn các đại lượng vật lý
ρ, , lấy theo nhiệt độ trung bình của màng nước tm ( tính theo [9] )
Trường hợp hơi ngưng tụ bên ngoài ống nằm ngang
α = 1,28 tb.(
-dn : đường kính ngoài của ống (m) -tb: hệ số phụ thuộc vào cách sắp xếp ống và số ống trên mỗi dãy đứng thường tra theo đồ thị trong các sổ tay kỹ thuật truyền nhiệt
Với lưu chất là nước ngưng tụ thì công thức [20] rút gọn:
Trang 75 Tổng trở nhiệt ∑ :
∑ + r2 , m2.độ/W
r1, r2 : nhiệt trở của cặn bẩn bám vào hai bên thành ống, m2.độ/W
: chiều dài ống dẫn nhiệt
: hệ số dẫn nhiệt của thành ống ( phụ thuộc vào loại vật liệu lựa chọn )
6 Nhiệt tải riêng q:
Nhiệt tải riêng giữa thành ống và lưu chất:
q = α (t –tT )
Nhiệt tải riêng giữa hai thành ống:
q =
∑
: chênh lệch nhiệt độ giữa 2 thành ống
7 Điều kiện ổn định nhiệt
= | |
q1 : chênh lệch nhiệt độ giữa thành ngoài ống và lưu chất ngoài ống q2 : chênh lệch nhiệt độ giữa thành trong ống và lưu chất trong ống Nếu thỏa điều kiện ta sẽ nhận các nhiệt độ thành thiết bị đã giả sử ở bước 3
Tính nhiệt tải riêng trung bình
qtb =
8 Xác định bề mặt truyền nhiệt
F =
, m2
Trang 89 Xác định số ống truyền nhiệt
n =
Chọn cách xếp ống ví dụ như hình lục giác hay hình vuông,… Nếu xếp theo hình lục giác thì:
- Số ống trên một cạnh của hình sáu cạnh lớn nhất:
n = 3a(a-1)+1
- Số ống trên đường chéo khi xếp theo hình sáu cạnh:
b = 2a-1
10 Tính số ngăn (số pass)
m =
- gt: tốc độ chảy lý thuyết của lưu chất trong ống
Re: là Re được chọn từ bước tính hệ số cấp nhiệt
- t: tốc độ thực của lưu chất trong ống
dt: đường kính trong của ống truyền nhiệt
11 Kiểm tra lại chuẩn số Re
Re =
Với n1 =
So sánh với khoảng giới hạn của chế độ chảy đã giả sử ở trên Nếu thỏa thì đúng, không thì phải chọn chế độ chảy khác
Trang 912 Tính đường kính trong của thiết bị
Nếu cách xếp ống là hình sáu cạnh thì
D = t(b – 1) + 4dn , m
Với dn – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt
t – bước ống, thường chọn t = (1,2 1,5)dn