TÍNH TOÁN TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG ỐNG CHÙM

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.

ỐNG CHÙM THEO TCVN Tính nhiệt lượng trao đổi thiết bò môi chất: a) Với môi chất chất lỏng  Khi không thay đổi trạng thái: Q = G1CP1(t1đ – t1c) = G2CP2(t2c – t2đ)  Khi chất tải nhiệt thay đổi trạng thái: Q = D1(I1 – i1) = G2CP2(t2c – t2đ)  [2] Khi hai chất tải nhiệt thay đổi trạng thái Q = D1(I1 – i1) = D2(I2 – i2) -G1 , G2 -D1 , D2 -CP1, CP2 -I1 , I2 -i1, i2 -t1 , t2 [1] [3] : lượng chất tải nhiệt truyền nhiệt không thay đổi trạng thái, kg/s : lượng chất tải nhiệt truyền nhiệt thay đổi trạng thái, kg/s : nhiệt dung riêng tương ứng với G1,G2, J/kg.oC : nhiệt hàm hơi, J/kg : nhiệt hàm cuả chất lỏng, J/kg : nhiệt độ hai chất tải nhiệt ( số đ c đầu cuối ), oC b) Với môi chất ngưng tụ ( môi chất hơi, ngưng tụ trình trao đổi nhiệt nhiệt độ không đổi): -Gh -r Q = Gh r , J/h : lượng chất tải nhiệt hơi, kg/s : ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg [4] Tính nhiệt độ trung bình Giả sử t1đ > t2đ  Chênh lệch nhiệt độ đầu vào: t1 = t1đ – t2đ  Chênh lệch nhiệt độ đầu ra: [5] t2 = t1c – t2c  Hiệu suất nhiệt độ trung bình môi chất: ttb =  [6]   ( [7] ) Nhiệt độ trung bình lưu chất ttb1 = ; ttb2 = [8] Dùng nhiệt độ để tra thông số vật lý cần thiết “Sổ tay Quá trình Thiết bò tập 1&2”, ĐHBK Hà Nội, lưu chất lỏng  Nếu lưu chất ngưng tụ nhiệt độ màng ngưng là: tm = [9] th: nhiệt độ ngưng tT: nhiệt độ thành thiết bò Để tính bước ta phải giả sử nhiệt độ thành ống dẫn nhiệt tiếp xúc với lưu chất ống lưu chất ống Sau tính toán ta kiểm tra điều kiện ổ Grn đònh bước , thỏa nhận giả thiết Tính hệ số cấp nhiệt α: a) Đối với chất lỏng: α= [10] - : hệ số dẫn nhiệt, ( W/m2.độ ), tùy theo lưu chất nhiệt độ trung bình lưu chất mà tra bảng -l: kích thước hình học ống + Ống tròn l đường kính ống +Ống tiết diện khác l đường kính tương đương (dtđ ) -Nu: chuẩn số Nuselt  Cách tính chuẩn số: Tùy theo đối lưu tự nhiên hay đối lưu cưỡng mà có cách tính khác Do thiết bò trao đổi nhiệt ống chùm đa số đối lưu cưỡng tác dụng ngoại lực bơm, quạt,… Nên công thức chuẩn số sau tính theo đối lưu cưỡng  Chuẩn số Prantl (Pr): đặc trưng cho tính chất vật lý chất tải nhiệt Pr = [11] -CP : nhiệt dung riêng đẳng áp chất tải nhiệt, ( J/kg.độ ) (tra bảng ) - : độ nhớt 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 chất tải nhiệt Re = -l -ρ - [12] : kích thước hình học : tốc độ chuyển động chất tải nhiệt (m/s) (tra bảng) : khối lượng riêng chất tải nhiệt (kg/m3) (tra bảng) : độ nhớt chất tải nhiệt ( Ns/m2) (tra bảng ) Tính chất chế độ chảy theo Re: + Re < 2300 : chảy tầng +2300 < Re < 10 : chảy chuyển tiếp từ chế độ chảy tầng sang chảy rối hay gọi chảy độ + Re > 104 : chảy rối CHÚ Ý: ta không tính Re mà chọn chế độ chảy chọn Re ứng với giới hạn chế độ chảy  Chuẩn số Gratkov ( Gr ): đặc trưng cho chế độ chuyển động đối lưu tự nhiên Gr =  -g : gia tốc trọng trường (m/s2) -l : kích thước hình học (m) γ= [13] -γ : độ nhớt động lực học (m2/s) -µ : đđộ nhớt chất tải nhiệt (Ns/m2) -ρ : khối lượng riêng chất tải nhiệt (kg/m3) - : hệ số dãn nở thể tích theo nhiệt độ chất tải nhiệt (1/oC) -∆t : hiệu số nhiệt đđộ thành thiết bị với môi trường (oC)  Chuẩn số Nuselt ( Nu ): đặc trưng cho cường độ trao đổi nhiệt chất tải nhiệt thành thiết bò  Chế độ chảy tầng với tiết diện ống hình tròn ( Re < 2300): Nu = 0,15 d Re0,33.Pr0,43.Gr0,1.( ) -Pr, Re, Gr tính theo công thức [11], [12] [13] với đại lượng vật lý lấy theo nhiệt độ trung bình lưu chất -PrT tính theo công thức [11] với đại lượng vật lý tính theo nhiệt độ thành thiết bi tiếp xúc với lưu chất Bảng: Trò số d L/dtd 10 15 20 30 40 50 lớn 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 ống truyền nhiệt  Chế độ chảy độ ( 2300 < Re < 104 ): Nu = 0,008 Re0,9 Pr0,43 [15] -Re, Pr tính theo công thức [12], [11]  Chế độ chảy rối ( Re > 104 ): Nu = 0,021 k Re0,8 Pr0,43 ( ) [16] -Re,Pr tính theo công thức [12],[11] với đại lượng vật lý tra theo nhiệt độ lưu chất -PrT tính theo công thức [11] với đại lượng vật lý tra theo nhiệt độ vách thiết bò tiếp xúc với lưu chất -Nếu ống có tiết diện tròn chuẩn số tính theo đường kính ống Với tiết diện chuẩn số tính theo đường kính tương đương Bảng: Trò số k Re L/d 1,65 1,51 1,34 1,28 1,14 1.10 2.104 5.104 1.105 1.106 1,5 1,4 1,27 1,22 1,11 1,34 1,27 1,18 1,15 1,08 10 1,23 1,18 1,13 1,1 1,05 20 1,13 1,1 1,08 1,06 1,03 30 1,07 1,05 1,04 1,03 1,02 40 1,03 1,02 1,02 1,02 1,01 50 va lon hon 1 1 Chú ý: Nếu lưu chất chất khí không xảy ngưng tụ công thức [16] ,sẽ đơn giản nhiều chuẩn số Pr đại lượng không đổi, không phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất ( áp suất không lớn ) Do đó, ( ) = Trò số gần chuẩn số Pr số chất khí 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 ngưng tụ:  Trường hợp ngưng tụ bên thành ống thẳng đứng: α = 2,04 (  ) (W/m2 độ) -Nếu ngưng tụ nước công thức [17] đơn giản sau: [17] α = 2,04.tb.A.( Với A=( (W/m2 độ) ) [18] ) [19] Đối với nước, hệ số A có trò số phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm sau: Bảng: Hệ số A nước phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm (oC) 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 (J/kg) ρ: khối lượng riêng nước ngưng (kg/m3) : hệ số dẫn nhiệt nước ngưng (W/m đđộ) µ: độ nhớt nước ngưng (Ns/m2) H: chiều cao ống thẳng đứng (m) ∆t: hiệu số nhiệt độ ngưng tụ thành thiết bị (th – tT) tb: hệ số phụ thuộc vào cách xếp ống số ống dãy đứng thường tra theo đồ thò sổ tay kỹ thuật truyền nhiệt Chú ý: Đại lượng r phải lấy nhiệt độ ngưng tụ th đại lượng vật lý ρ, , lấy theo nhiệt độ trung bình màng nước tm ( tính theo [9] )  Trường hợp ngưng tụ bên ống nằm ngang α = 1,28.tb.(  ) [20] -dn : đường kính ống (m) -tb: hệ số phụ thuộc vào cách xếp ống số ống dãy đứng thường tra theo đồ thò sổ tay kỹ thuật truyền nhiệt Với lưu chất nước ngưng tụ công thức [20] rút gọn: α = 1,28.A.tb (  ) [21] Tổng trở nhiệt ∑ + r2 , m2.độ/W ∑ r1, r2 : : nhiệt trở cặn bẩn bám vào hai bên thành ống, m2.độ/W : chiều dài ống dẫn nhiệt : hệ số dẫn nhiệt thành ống ( phụ thuộc vào loại vật liệu lựa chọn ) Nhiệt tải riêng q: Nhiệt tải riêng thành ống lưu chất: q = α (t –tT ) Nhiệt tải riêng hai thành ống: q=   ∑ : chênh lệch nhiệt độ thành ống Điều kiện ổn đònh nhiệt = | | q1 : chênh lệch nhiệt độ thành ống lưu chất ống q2 : chênh lệch nhiệt độ thành ống lưu chất ống Nếu thỏa điều kiện ta nhận nhiệt độ thành thiết bò giả sử bước Tính nhiệt tải riêng trung bình qtb = Xác đònh bề mặt truyền nhiệt F= , m2 Xác đònh số ống truyền nhiệt n= Chọn cách xếp ống ví dụ hình lục giác hay hình vuông,… Nếu xếp theo hình lục giác thì: - Số ống cạnh hình sáu cạnh lớn nhất: n = 3a(a-1)+1 - Số ống đường chéo xếp theo hình sáu cạnh: b = 2a-1 10 Tính số ngăn (số pass) m= - gt: tốc độ chảy lý thuyết lưu chất ống gt = Re: Re chọn từ bước tính hệ số cấp nhiệt - t: tốc độ thực lưu chất ống t = dt: đường kính ống truyền nhiệt 11 Kiểm tra lại chuẩn số Re Re = Với n1 = So sánh với khoảng giới hạn chế độ chảy giả sử Nếu thỏa đúng, không phải chọn chế độ chảy khác 12 Tính đường kính thiết bò Nếu cách xếp ống hình sáu cạnh Với D = t(b – 1) + 4dn , m dn – đường kính ống truyền nhiệt t – bước ống, thường chọn t = (1,2 1,5)dn