Chuong 2 THIẾT bị TRAO đổi NHIỆT tinh toan TBTĐN PHẦN 3

TÍNH TOAN-THIET B] TRAO ĐỔI NHIỆT GIÁN TIẾP Ví dụ 5.8.1.1 Tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm để gia nhiệt hỗn hợp 36% khối lượng benzen, 65% khối lượng toluen từ nhiệt độ ứ; = 25°C đến nhiệt độ sôi hỗn hợp áp suất thường nước bão hòa 120°C lăng suất ð,5 tấn/h GIẢI: Đo kết cấu thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, nên lưu thể _(Àhông tạo cặn bẩn bể mặt truyền nhiệt, làm giảm hệ số dẫn nhiệt) người ta cho khoảng không gian ngồi ống, cịn lưu thể tạo cặn bẩn trình làm việc cho ống Ngồi ra, lưu thể có áp suất lớn người ta cho ống, ống chịu áp suất lớn vỏ Với này, ta cho nước bão hịa khoảng khơng gian ngồi ống Hỗn hợp cho ống 1) Tính lượng nhiệt trao đổiØ Q=FC,(0y - t) đó: F- lưu lượng hỗn hợ p đầu, F = 1,528 ke/s; = 95,61°C - nhiệt độ sôi hỗn hợp; C, - nhiét dung riéng cia hop tai ty = 68,011°C Tai At = 70,61°C néi suy ta tính C, = 1957,582 J/kg°C Vay : @ = 1,528,1957,582.(95,61 — 25) = 211207,594 W 2) Hiệu số nhiệt độ trung bình hai lưu thể « _ Hiệu số nhiệt độ lớn: ta chon t,, = 120°C Af¿ = 120 - 25 = 95°C «_ Hiệu số nhiệt độ bé: At, = 120 - 95,61 = 24,39°C Ma - At, 2439 =8808>2 233 nên nhiệt độ trung bình hai lưu thể xác định theo c (1.101); - _Al=A2, _ _95-24,39 lu = = 95 a 3,3ig| —+ a sẻ Hgị —— Si Aty, = 51,989 (°C) Nhiệt độ trung bình lưu thể là; Hơi đốt: typ = 120°C Phia hdp: tz,= 120 - 51, 989 = 68, 011°C 3) Tinh 56 cap nhiet cho timg Iu thé do: r- dn nhiét ngung ty lay theo nhiệt độ hai bao hoa, J/kg; ‘At, chênh lệch nhiệt độ nhiệt độ đốt nhiệt độ thành ống truyền nhiệt,( 11- chiều cao ống truyền nhiệt, m; chọn #ï = m; A - số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng *_ Ứng với tạ = 120°C nội suy theg [3-312], ta có: r=92017.10°J/kg + Giả sử chênh lệch nhiệt độ A#, = 2° ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: = 119°C t,=120= ind ~ Ti ¢,,= 119°C, tra bang [ 3.29] ta được: A= 187,55 Vay: a, = 2,04 187,55, 220° @, = 10427,563 Wim? 234 cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy ay 0) Tinh hệ Chọn Re = 0500 Hệ số cấp nhiệt ø tính theo cơng thức (8.32) 02 Nu = 0,0216,Re™ ‘pee Suy ra: Pr 00212 ancien) 025 đó: P - chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình tường, cịn thơng số khác tính theo nhiệt độ trung bình dịng; +, - hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỷ số chiều dài / đường kính đ ống Ta chọn đ = 80x? mm Ở = 2m Dựa vào 1.3 ta có: L d Song = 58,823 > 50 0096 s Tính chuẩn số Pr theo cơng thức (1.22): i du C,=ap.Cg+ (1- a9) Cy ¢, 0,35.1972,058 + (1 — 0,35) 1932,044 = 1946,049 J/kg.d) £- hệ số phụ thuộc mức độ liên kết chất lỏng, với chất lỏng không liên kết (benzen - toluen) A = 4,22,103 ~ Tại tụ, =68,011°C nội suy theo [3-9]; Pp = 827,588 ke/m® Pr = 819,989 kh/m? ~ Hệ số dẫn nhi hỗn hợp là: Ä = 4,22.10°.1946,049.822,633 [822.633 86,568 4= 0,143 W/m độ — Tại Ít = 68,011°C nội suy theo [3-91]: Hg = 0,36 10° Ns/m? bp = 0,356.10 Ns/m? > Wein = xpleng + (1 - xg) lghự Igy, = 0,388.1g0,36.10 + (1 ~ 0,388) 1g0,356.10~ > bly = 0,357.10 N/m? Đođó pr= ey 1946,049-0,357.10 = 4,858 0143 * Tinh chuẩn số Pr,: ~ Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: đị = øy At, = 10427,563 q\=20855,126 Wim* 286 | | ~ Hiệu số nhiệt độ hai phía thành ống; var g đó: 2,„ - nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp, r, - nhiệt trở hai bên ống truyền nhiệt, tinh theo [3.3], m?.°C/W é Xn=n,+ als l8 đây: Tụ, nụ - nhiệt trở cặn bẩn hai phía tường, m.độ/W; ð- bể dày ống truyền nhiệt, mỂ; chon = mm = 0,009 m; - hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm ống, W/m.độ; với thép Cr, ta có = 46, W/m.độ ~ Dựa vào bảng [3.4] ta chọn: rụ = 1,16 10', m”,độ/W Tụ,= 0,464 10, mỂ.độfW' =n Do đó: 0,002 sec +=1,16 10Ỷ + = + 0,464, 10 Er,= 1,667 10, m”.độ/W At, = 20855,126 1,667 10 = 34,765 °C thy hạ = ty, ~ Án = 118~ 34,765 = 88,286 °C ‘Aty = ~ toy= 88,285 ~ 68,011 = 16,224 ~ Tại tạ, = 83,236°C nội suy theo [3.171]: Cụ = 2048,749 J/kg độ Cy = 1994,557 J/kg a6 > Cy = 0,85 2048,749 + (1 - 0,35) 1994,557 Cyc = 2013,524 J/kg độ ~ Tai (,„ = 83,285 °C nội suy theo [3.9]: Pp = 811,442 kgím” Pr = 804,765 kg/m® 237 + 35 1-0335 Srey aE)” (a 42 SH = ma 807,089 ke ~ Tại £„ = 83,236 °C nội suy theo [3.91]: ‘Mg = 0,307.10 Na/m? Hy = 0,311.10 Ns/m? Iguy = 0,3881g0,307.10° + (1 - 0,388)1g0,311.10 => Hp = 0,309.10 Ns/m? Ta được: 4, = 4,22.10°.2013,524 807,089 A, = 0,144 Wim độ, Pp, = 2013.524.0,309.10 0144 Vay:ue = 4,321 0143 9.43 | 19500" Sỹ = 0,021 “33 002g 1050 4,858", 1,03 a„ = 386,854 W/mẺ,độ đ; = dạ.Aty = 386,854 15,294 q¿ = ð889,465 W/mổ © O day ta thấy nhiệt tải riêng vể phía ngưng tụ 4; = 20855,126 W/m” khác xa với nhiệt tải xiêng phía hỗn hợp chảy xoáy q; = 5889,465 W/m* Ma bai toán ta xét truyền nhiệt ổn định nên đị = đ; = quy), vậy, để tìm giá trị qụ, ta phải tính lặp kết tính tốn xếp vào 8.8, Bảng 5.3 „ Phi Malan aging Ae Hnh | ng | [120] 4, | an | te 118 a, Nhiệt ae TOE) @ zi At, 119 _ | 10427,563 | 20855,126 | 1,667.10" | 34,765 |120| 1192 | 0,8 | 119/6 | 10442575 | 835406 |1,667.10° | 13,926 | 120 | 118,835 | 1,165 119,418 | 10438,015 | 12160,287 | 1,667.10' | 20,271 288 _ Bang 5.4 Số lan “Phía hỗn hợp chảy xoáy tink | tay °; #8 Pr, | (Pr/Pt)°*| | 83,235 | 68,011 | 15,224 | 4,321 | 105,272 | 68,011 | 37,261 | 3/713 | |3 | 98564 | 68,011 | 30,553 | 3,867 | 1,03 a œ | 386,854 | 5889,465 1/0695 | 401,69 | 14967,371 1,059 | 397/746 | 12152,338 - Qua ba lẫn tính cộng với hỗ trợ _ đổ thị hình 5.8 ta xác định được: ty, = 118,835°C a= %4 12160,287 +12152,333 q % ®% đụ, = 12156,310 Wim? ~ Kiểm tra sai số 4s AteJs 12160,287 10080) z100= ^^ 12152,333 Hinh 5.8 4F £= 0,06% < ư% (chấp nhận) 4) Tính bề mặt truyền nhiệt -9 -2H20189 = 974 m? Qu 12156310 5) Số ống truyền nhiệt "_ x4H ` 314 ditd, _ 0,026+0,03 2 0,028 m ® Dựa vào bảng [3.48], ta qui chuẩn chọn tổng số ống với cách xếp theo hình lục giác n = 127 ống ~ Số ống cạnh hình cạnh là: 239 ~ Số ống đường xuyên tâm hình cạnh 13 ống ~ Tổng số ống khơng kể ống hình viên phân: 127 ống ~ Số ống hình viên phân là: 28 ống 6) Đường kính thiết bị đun nóng tính theo [3.49] D=tb-1)+4d,, m đó: £ - bước ống, thường lấy t= 1,2+1,5d,; đ, - đường kính ngồi ống truyền nhiệt, m; Š- số ống đường xuyên tâm hình sáu cạnh Vậy: D=1,3 0,03 (18 - 1) + 0,08 D = 0,588 m ,6 m = 600 mm 7) Tính lại vận tốc chia ngân: * Xác định vận tốc thực: 4P ad?np F = 5500 kg/h = 1,528 kg/s n= 127 ing d= 0,026 m P= 822,633 kg/m? 128 3,14.0,0267 127.822,633 = 0,027 mis, « Xac dinh van tée gia thi ~ 10500.0,357.10-5 0026.822633 @q = 0,175 mis Vi: 240 PERM 10005 = 115-0027 100v, - 34,5719 > 5% % 0175 ta cần phải chia ngăn để trình cấp nhiệt chế độ xốy s Số ngăn: %gCC =_= ———C 0175 = 6,48 ngăn th;iết m=m = —#— Số ngàn ngăn cần cần thiết nôn Qui chuẩn m = ngăn * Tinh lai chuẩn số Reynolds: Re= TT —— KH 3314.0,026 =—.0,357.10-° = ` Vậy kích thước thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu là: }'= 18 mỸ - bể mặt truyền nhiệt n= 127 Ong - sO ống truyền nhiệt; D = 600 mm - đường kính thiết bị; HH = 2m - chiều cao hai mặt bích 5.2.1.2 Tính tốn thiết kế thiết bị ngưng tụ hồn tồn hỗn hợp alcol stylie - nước bay lên từ đỉnh tháp chưng luyện suất; G, = 1607,9 kg/h, nồng độ alcol hỗn hợp hơi: a, = 0,9384 phần khối lượng thiết bị làm áp suất thường GIẢI: Chọn thiết bị loại ống chùm thẳng đứng, ống truyền nhiệt $25 x 2,5 mm Chiều cao ống truyền nhiệt H = 1, m vật liệu X18H10T Tác nhân lạnh nước lạnh cơng nghiệp có ứ¿ = 25°C; £, = 45°C Do ngưng tụ hoàn toàn lượng G„ thành lỏng nhiệt độ £„„ = ty = 78,5°C Do kết cấu thiết bị nên ta cho alcol vào khoảng không gian ống, nước lạnh ống 1) Hiệu số nhiệt độ trung bình Chênh lệch nhiệt độ đầu vào: = 78,5 - 25 = 53,5°C Chênh lệch nhiệt độ đầu ra: At; = 78,5 ~ 4B= 93,5°C 241 Hiệu số nhiệt độ trung bình nước làm lạnh: Ah-Aty _ 535-3 At, = qe a 85 2,7°C Aty 385 Ate, 2354385 = 43,5 © Nhigt độ trung bình nước: ty =ty ~ Aty, = 78,5 ~ 43,7 = 35,8°C © Lugng nhigt dé ngung tu hoan toan hoi aleol léng: Q=Gz, Jh _r - ẩn nhiệt ngưng tụ khỏi đỉnh tháp: + = 939.10 J/kg (tính phần trước) Q= 16079.989 0$ 3600 Hé 06 truyén nhigt K: K= 2) Hệ số cấp nhiệt phía nước a) Khối lượng riêng nước tai t,, = 35,8°C p= 993,71 kg/m® 5) Độ nhớt nước tai t, = 35,8°C Tựa vào bảng I.101 [3] phương pháp nội suy ta được: Hy = 0,719.10" N.s/m? ©) Hệ số dẫn nhiệt nước Dựa vào bảng I.129 [3] phương pháp nội suy ra, ta được: 4a = 0,627 W/m.độ 4) Chuẩn số Prandtl nước theo tông thức (1.38) Pr= Sot 242 Tai t, = 35,8°C ta c6: C, = 4172,8 Ike d6 pr= 4172,3.0,719.10 0627 = 4,785 @) Chuẩn số Nusselt dòng nước Chọn chế độ chảy thiết bị truyền nhiệt Re > 10, theo công thức (1.82): ,021 a„Re05py04a(_ Em 025 Pry dé: Re = 15000; + - hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỷ số chiéu dài / đường kính ống: am oe a chọn 4y = 1; #rr - chuẩn số Prandtl đồng tính theo nhiệt độ tường phía trước, Âu =0,021.1 «soon Nu= vo.a0( 4282) x ras cố 025 Pry S5 #) Hệ số cấp nhiệt phía nước ơ, Từ công thức anal Suy ra: a= Nua › WimÊ.°, đó: 1- kích thước hình học chủ yếu , Nuwd _ 9025 (2) a= 280.4 0.02 | Pry 045 ) 035 0,697 = 1.460 W/m?.độ Wim?.d9 243 3) Hệ số cấp nhiệt phía hoi a, xée định theo cơng thức (1.64): đó: A- hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng alcol etylic f đây: (ty +t) s tq, - nhiệt độ tường phía hoi, °C; 0, - nhiệt độ ngưng tụ, °C; r - ẩn nhiệt ngưng tụ r = 980.10” J/kg; H - chiều cao ống truyền nhiệt, H = 1,5 m; At=t, +tạ - chênh lệch nhiệt độ tường 4) Tổng trở nhiệt Xren + $ +r, ,m*.dgW _ rụ,rạ - nhiệt trở cận bẩn bám vào hai bên thành ống phía hổi | phía nước lạnh, m”.độfW; # chiều dài ống truyền nhiệt; ^- hệ số dẫn nhiệt thành ống; = 16,85 W/m°C Dựa vào [3.4] ta chọn: rị = 0,464.102 m.độfW = 0,116.109 m”.độ/W Vay: Zr ,464.10 4.10% ++ 0,0025 Tee + 0,116.10" 0,116.10 = 0,728.10, mỶ.độ/W m?.d 5) Nhiệt tải riêng ạ¡ (W/m?) Nếu coi mát nhiệt truyền từ lưu thể sang lưu thể khơng q 5%, thi ta tính tốn nhiệt tải riêng gị va g; không chênh 244 5% Tign hanh: *_ Chọn nhiệt độ chênh lệch thành ống: At, = ty ~ ty, * Tinh a; va q; (nhiệt tải riêng phía hơi) * Tinh At = tp, ~ tp, - chénh léch nhiệt độ hai bên thành ống: At=q,.=0r Từ suy tp, nhiệt độ tường phía nước * Tinh chudn s6 Prandtl tường Pr, theo nhiệt độ try “Tính ø¿ theo cơng thức xác định Tính q; = a Aty * So sdnh q; vagy: = < 55% thi phù hợp h “Tính qụ, nhiệt tải riêng trung bình: = si +42), Wim? Chọn nhiều giá trị At, có gid tri At, = 5,6°C thích hợp cuối gy gy chênh lệch không 5% At, = 5,6°C ty, =ty~ ty = 18,6 - 5,6 = 72,9°C Nhiệt độ màng dung dịch ngưng: t= >= (ty tty.) = 3088 + 72,9) = 75,7°C Từ [3.9] A = ( „ 2g 046 ) màng alcol etylic 75,7 °C A = 166 “ Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi: a; == 2,04 2,04.166 166 44|939.103 = = 6192 6192 WimWim* *d62,ds 245 Nhiệt tải riêng: 9, = a, At, = 6192.5,6 = 34675,2 Wim? Chenh lech nhiét độ hai thành ống: At, = q) Lr = 34675,2.0,728,10° = 25,24°C Nhiệt độ tường phía nước: ty, = tp, — At = 72,9 - 25,24 = 41,66 °C Chênh lệch nhiệt độ thành ống nước: At, = tạ,~ t„ = 47,~ 66 35,8 = 11,86%C ty, = 47,68°C nội suy theo [3.92], ta được: #= 0,574.10 Na/mÊ' Nội suy theo [3,168], ta được; Cp = 4182,4 J/kg độ Vay: Pp = 2574.10°*.4182,4 =3,828 = 0637 Khi hệ số cấp nhiệt phía nước: 046 4,785 @, = 2829,34 (333) = 2991,7 Wim? Dé Nhiệt tải riêng phía nước: So sánh: đ; = dạ.Af; = 2991,7 11,86 = 35481,6 Wim? ~|m-9 = 100% = |35481.6~34675,3| 100% 354816 CHỦ Tra n= 2,3% < 5% Vay At; = 5,6°C phù hợp Nhiệt tải riêng trung bình: đu = T4: +3) 246 (34675,2+35481,6) = 3ö078,4 W/m* 6) Bề mật truyền nhiệt - chon thiết bị Bề mặt truyền nhiệt tính theo cơng thức: K9“maa du _ 419394 = 11,956, m? 35078, + Số ống truyền nhiệt; | 46: dy, w= = 4(0,025 +0,02) = 0,0225 m, > Khide, TẾT 11,956 o_o “7 3140023515 = 112,8 ống Theo [3.48], ta qui chuẩn thiết bị ngưng tụ sau: ~ Tổng số ống: n = 127 ống - Xếp ống theo hình sáu cạnh - Số ống đường xuyên tâm hình sáu cạnh: = 13 ống + Chiểu cao ống: H = 1,5 m 'Vận tốc chảy thực tế nước ống: G, Gree 2.8600.p.7 a Tại ¢, = 35,8°C theo [3.11] ta c6 p = 993,7 kg/m® G,, lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ, G, = 18056 kg/h a = ————18056 _ 127.3600.0/785(0,02)”.993,7 = 126 m/s Vận tốc chảy giả thiết theo Re = 15000 = Re _ 15000.0574.10Ẻ dp 0,02.993,7 0,433 mis 247 Ta thay a, > @ cho nén phải chia ngăn thiết bị, Số ngăn: - 9, _ 0488 @ 0,126 Chọn số ngăn là: m = ngăn Tinh lai chuẩn số Reynolds: 4G, Tu dé: n, = +I m Khi đó: Re= 4.18056 = 331.3600.0,02—~.0,574.10° == 17529 s©_ Đường kính thiết bị [3.49]: D=tb-1)+4d, dé: = 13; m d- đường kính ngồi ống truyền nhiệt, đ = 0,025 m; †- bước ống, thường chọn f = (1,2 + 1,5) d Chon t=1,4 = 1,4 0,025 = 0,035 m Khi d6: D = 0,035 (13 = 1) + 0,025 = 0,52 m Két lugn: Chon thiét bi trao déi nhigt ống chùm, đặt thẳng đứng có đường kính Ð = 0,2 m Số ống truyền nhiệt n = 127 ống, ống xếp theo hình sáu cạnh, Chiều cao ống: H = 1,5 m Số ngăn thiết bị: m = ngăn 248 Nhập số liệu † Tính nhiệt tải chung Q Y Tính hệ số cấp nhiệt œ phía lưu thể ống ==-= Giả thiết Af = l;ø ~ tinh a phía ngưng tụ Giả thiết lại at + © I Tính q gz Tính F, n, D v In két qua tinh toan Hình 8.9 Sơ đồ khối lập trình thiết kế thiết bị đun nóng nước bão hòa 249 ... 1, 528 kg/s n= 127 ing d= 0, 026 m P= 822 , 633 kg/m? 128 3, 14.0, 026 7 127 . 822 , 633 = 0, 027 mis, « Xac dinh van tée gia thi ~ 10500.0 ,35 7.10-5 0 026 . 822 633 @q = 0,175 mis Vi: 24 0 PERM 10005 = 115-0 027 ... | 15 ,22 4 | 4, 32 1 | 105 ,27 2 | 68,011 | 37 ,26 1 | 3/ 7 13 | |3 | 98564 | 68,011 | 30 ,5 53 | 3, 867 | 1, 03 a œ | 38 6,854 | 5889,465 1/0695 | 401,69 | 14967 ,37 1 1,059 | 39 7/746 | 121 52, 33 8 - Qua ba lẫn... 118, 835 °C a= %4 121 60 ,28 7 + 121 52, 33 3 q % ®% đụ, = 121 56 ,31 0 Wim? ~ Kiểm tra sai số 4s AteJs 121 60 ,28 7 10080) z100= ^^ 121 52, 33 3 Hinh 5.8 4F £= 0,06% < ö% (chấp nhận) 4) Tính bề mặt truyền nhiệt