bài tập lớn Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống

Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ làm mát dầu thô.. Bài giải I: Giả thiết và tính sơ bộ cho thiết bị trao đổi nhiệt Ta chọn nước

4 Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ

Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ làm mát dầu thô (1)145 kg/s dầu thô đi vào phần

vỏ với nhiệt độ ban đầu bằng (2)109 oC, nhiệt độ ra (3)69oC Nước làm mát đi trong ống có nhiệt độ ban đầu (4)22 oC, lưu lượng nước bằng (5) 70kg/s Tổn thất áp suất phía vỏ hạn chế ở

155 kPa

Bài giải

I: Giả thiết và tính sơ bộ cho thiết bị trao đổi nhiệt

Ta chọn nước biển nằm trong ống và dầu nằm ngoài ống vì:

-Dầu nóng nên để ngoài ống để có thể thải nhiệt ra bên ngoài

-Nước dễ bẩn hơn nên nằm ở trong để có thể dế vệ sinh

-Dầu có độ nhớt cao hơn cho nằm phía vỏ để có độ rối cao hơn

1.Cân bằng nhiệt

Nhiệt độ trung bình của dầu thô: t1=(109+69)/2=890C

Tra bảng thông số vật lý của dầu mỏ B.12

Cp1 = 2,17 kJ/Kg.K 1

ρ

= 847,5 Kg/m3

1

0,024 847,5

µ υ ρ

2,83 10-5

k = 0,137 W/m.K Prf = 392

Nhiệt lượng do dầu tỏa ra

Qd = m1 Cp1 ( t1’ – t1” ) = 145.2,17 ( 109 – 69 ) = 12586 (kW)

Giả sử nhiệt đô nước làm mát ra là t2” = 650C

nhiệt độ trung bình của nước làm mát t2 = 43,50C

tra thông số của nước ở 43,50C Cp2 = 4,179 kJ/Kg.K

2 ρ

= 991,6 Kg/m3

Để thiết kế có độ dư ta bỏ qua phần nhiệt dầu tỏa ra ở vỏ thiết bị

Qn = Qd = 12586 = 70 4,179 ( t2 – 22)

->t2” = 65,030C chấp nhận được

Nhiệt độ trung bình của nước chuyển động trong ống là t2 =

65, 03 22

43,52 2

0C

2.Tính chọn ống và vỏ thiết bị

Chênh nhiệt độ trung bình logarit

Từ bảng 8.4 ta chọn các hệ số trao đổi nhiệt phía vỏ và phía ống tương tự là 5000 (W/m2.K) và

250 (W/m2.K) giả thiết ống không có cánh và ống bố trí hình vuông Hệ số truyền nhiệt coi như tính theo vách phẳng d2/d1<1,4 vì độ dày không đáng kể

Chọn ống thép cacbon có đường kính λ

=60W/m.K

Hệ số truyền nhiệt

k= (W/m2.K)

Khi kể đến cặn do nước với hệ số φ = 0,85 ta có

Kbẩn= k φ = 236,22 0,85 = 200.79 (W/m2.K)

Hệ số hiệu chỉnh ε

= f( P, R) P= (t”2- t’2)/(t’1- t’2) = (66 - 22)/(109 - 22)= 0,506

R= (t’1-t”1)/(t”2-t’2) = (109 - 69)/(66 - 22)= 0,91

Tra bảng tính hệ số hiệu chỉnh cho thiết bị cắt nhau 1 bước vỏ 2,4,6… bước ống

Tra được hệ số ε

= 0,84

-> Độ chênh nhiệt độ ∆tcắt nhau =ε

∆tnc = 0,84.45,45 = 38,18 oC Diện tích trao đổi nhiệt

F= Q/(kbẩn ∆tcắt nhau) =12586000/( 200,79 38,18 )= 1648,25(m2)

Dựa vào bảng 8.3 Theo tiêu chuẩn TEMA

Chọn thiết bị 1 hành trình vỏ, 4 hành trình ống

Đường kính vỏ 39in =0,99 (cm) =1 (m )

ống có đường kinh 1 in = 2,54 cm, Bước ống Pt=1 1/4 in=3,175cm

có 700 ống bố trí hình tam giác

số ống trong một hành trình ống m=175 ống

Tính toán lại chiều dài ống

Tổng diện tích trao đổi nhiệt

F = N.(.d2).L

-> L = F/ N.(.d2) = 1648,25/ 700.( 3,14 0,0234) = 32(m)

II: Tính toán lại kết quả

1 : Hệ số trao đổi nhiệt của nước.

Tra các thông số của nước tại nhiệt độ trung bình t=

43,52

0C

Cp2 = 4,179 kJ/Kg.K

2

ρ

= 991,6 Kg/m3 Pf=4,04 λ2 =0,64W/m.K

υ

2=6,17.10

7

−

(m2/s) Vận tốc nước

ω2 = (G2)/( m.ρ2.π d2 /4 ) = (70 4)/(991,6 3,14 0,02342 175 ) = 0,938(m/s)

Theo tiêu chuẩn Re của nước

Ref = = (0,938 23,4.10-3)/ (0,617.10-6) =35574> 104

=)) Như vậy nước chảy rối trong ống

Nuf = 0,021 Ref0,8 Prf 0,43 (Prf/Prw)0,25 εl εR L> 50d2 =)) hệ số ảnh hưởng của chiều dài εl =1 ,

Coi ống như ống thẳng nên hệ số ảnh hưởng độ cong εR =1

Để tra Prw ta phải biết nhiệt độ bề mặt trong ống

Tính tương đối nhiệt độ bề mặt trong ống là:

tw2 = ( t’1+ t’’1)/2 - ∆tnc/2 = - = 66,3 (oC)

tra bảng nước ta có Prw = 2,71

Thay số vào công thức tính Nu ta có:

Nuf = 0,021 355740,8.4,040,43.(4,04/2,71)0,25 = 185

Hệ số tỏa nhiệt của nước

α2 = (Nuf λ2)/d1 = (185 0,64)/0,0234 = 5059,82 (W/m2.K)

2 :Tính Hệ số trao đổi nhiệt của dầu

Tra các thông số của dầu thô tại nhiệt độ trung bình 89oC

Cp1 = 2,17 kJ/Kg.K

1

ρ

= 847,5 Kg/m3

1

0,024 847,5

µ υ ρ

2,83 10-5 Prf = 392

Đường kính tương đương

2 2

4.0,86 4.0,86.0,03175

0,0254 0,018(m)

e

s

d

π

Vận tốc dầu thô

S = π.12- 700.π.0,02542 = 1.72(m

2 )

-> ω1 = G1 / (S ρ1 ) = 0,099(m/s)

Hệ số Re

Ref = =

5

0,099.0,018

62,96 2,83.10− =

chùm ống so le

Nuf = 0,41 Ref0,6 Prf 0,3 (Prf/Prw)0,25

Nhiệt độ bề mặt trao đổi nhiệt Tw

' " ' "

2 2 1 1

w 0,5

t t t t

= (109+69 +22+ 66)/4 = 66,5 0C

Tra thông số vật lí của dầu ở 63,3 0C được

w Pr

= 795 ->Nuf = 0,41 62,960,6 7950,33 ( 392/795 )0,25 = 37,36

Hệ số tỏa nhiệt của dầu thô

α1 = (Nu λ)/dtđ = (37,36.0,137)/ 0,018 = 284.35 (W/m2.K)

- Hệ số truyền nhiệt của thiết bị

kof= (W/m2.K)

Khi kể đến cặn do nước với hệ số φ = 0,85 ta có

kf= kof φ = 266,83 0,85 = 226,8 (W/m2.K)

Tính diện tích trao đổi nhiệt :

Q = k.F.∆tcắt nhau=> F= Q/(kf ∆tcắt nhau) = 12586000/( 226 38,18 )= 1458,62 (m2) Chiều dài của thiết bị

l = (F/ N.(.d2))/4 = (1458,62/ 700.( 3,14 0,0254))/4 = 6,53 (m)

Kết luận:

thiết bị 1 hành trình vỏ, 4 hành trình ống

Đường kính vỏ 39in =0,99 (cm) =1 (m )

ống có đường kinh 1 in = 2,54 cm, Bước ống Pt=1 1/4 in=3,175cm

có 700 ống bố trí hình tam giác

số ống trong một hành trình ống m=175 ống

chiều dài thiết bị:6,53m

3:Tính trở lực thuỷ kháng của đường nước

∆p = ∆pm+ ∆pc

Trở kháng ma sát

∆pm =

Với

ξ : Hệ số ma sát

ξ = 1/ (1,82.logRef – 1,64)2 = 1/ (1,82.log35574 – 1,64)2 = 0,0226 L= 4.6,53 =26,12 m

nc = 991,6 (Kg/m 3)

nc =0,938m/s ,d1 = 0,0234m

∆pm= = (0,0226.26,12.991,6 0,9382)/(2.0,0234)

= 11004 (Pa)

Trở kháng cục bộ

∆pc =

Với: ϵ : Hệ số trở kháng cục bộ

Khi dòn chảy vào ra ỏ van : 2.6,3 =12,6

dòng chảy quay 180 độ trong ống chữ u: 3.0,5=1.5

Khi dòng chảy vào và ra khỏi thiết bị : 2.1,5 = 3

=)) ϵ = 12,6 + 1,5 + 3 = 17,1

∆pc = (17,1 991,6 0.9382)/2 = 7459,48 Pa

Tổng trở kháng :

∆p = ∆pm + ∆pc = 11004+ 7459,48 = 18463 Pa =18kPa-> phù hợp