TÍNH TOÁN THIẾT bị TRAO đổi NHIỆT GIÁN TIẾP

Thiết bị ống chùm được dùng phổ biến nhất trong công nghiệp hóa chất, nó có những ưu điểm là kết cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn. Thiết bị truyền nhiệt ống chùm loại đứng gồm: 1 Vỏ hình trụ. 2 Lưới đỡ ống. 3 Ống truyền nhiệt. 4 Mặt bích có bu lông ghép. Trên vỏ, nắp, và đáy có cửa (ống nối) để dẫn chất tải nhiệt. Thiết bị truyền nhiệt được đặt trên chân đỡ hoặc tai treo hàn vào vỏ 1.

EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT GIÁN TIẾP A/ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Thiết bị ống chùm dùng phổ biến cơng nghiệp hóa chất, có ưu điểm kết cấu gọn, chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn Thiết bị truyền nhiệt ống chùm loại đứng gồm: EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM 1- Vỏ hình trụ 2- Lưới đỡ ống 3- Ống truyền nhiệt 4- Mặt bích có bu lơng ghép Trên vỏ, nắp, đáy có cửa (ống nối) để dẫn chất tải nhiệt Thiết bị truyền nhiệt đặt chân đỡ tai treo hàn vào vỏ Chất tải nhiệt I (dung dịch NaOH- nước ) vào từ đáy qua ống lên khỏi thiết bị, chất tải nhiệt II ( nước bão hòa ) từ cửa vỏ vào khoảng trống ống vỏ phía Trong thiết bị diễn trình truyền nhiệt bão hòa tới hỗn hợp Các ống thiết bị bố trí theo hình sáu cạnh, cách lắp ống kiểu hàn Chọn thơng số kĩ thuật: • Chọn vật liệu thép CT3 • Chiều cao hai mặt bích: H= 1,5m • Chuẩn số Reynolds: Re = 10500 • Đường kính ống: d = 34x2 mm • Bề dày ống truyền nhiệt: δ = 2mm=0,002m • Nhiệt độ nước bão hòa có áp suất 3,5 at là: Theo bảng 1.97 trang 230 sổ tay hóa cơng 1ta có: P1=3at : ts=132,88oC P2=4at : ts=142,92oC Nội suy : P=3,5at =>ts=137,9oC EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM B/ TÍNH TỐN I.Hiệu số nhiệt độ trung bình hai lưu thể: EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM oC to t2c EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM • Hiệu số nhiệt độ lớn: Ta chọn thđ = 137,9oC, t2đ= 25oC, t2c= ts dung dịch= 103,8oC t2đ ∆tđ =thđ-t2đ=137,9– 25 =112,9(oC) • Hiệu số nhiệt độ bé: ∆tc =thđ-t2c=137,9– 103,8=34,1 (oC) t1c Vì = =3,3>2 Nhiệt độ trung bình hai lưu thể xác định : ∆ttb = ==66oC Nhiệt độ trung bình lưu thể là: t1đ Hơi đốt: t1tb =thđ=137,9C Phía hỗn hợp: t2tb = thđ– ∆ttb =137,9–66=71,9(oC) • Tại t2tb =71,9(oC) nội suy ta có Của NaOH: Cp,NaOH = 3824,93 J/Kg.oC II Tính nhiệt lượng trao đổi Q Q = G.Cp(tF – tf) Trong đó: G - lưu lượng hỗn hợp ban đầu, G = 2,5kg/s; Cp - nhiệt dung riêng hỗn hợp t2tb =71,9oC tF = 103,8oC – nhiệt độ sôi hỗn hợp tf = 25oC – nhiệt độ ban đầu hỗn hợp EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM Với Cp=3904,58J/kg.oC Vậy : Q = 2,5.3824,93.(103,8-25)=753511 (W) III Tính hệ số cấp nhiệt cho lưu thể Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ theo công thức: , W/m2.oC (trang 40, sổ tay hóa cơng 2) Trong đó: r - Nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ bão hòa, J/kg; ∆t1 - Chênh lệch nhiệt độ nhiệt độ đốt nhiệt độ thành ống truyền nhiệt, oC; H - chiều cao ống truyền nhiệt (m) ; chọn H = 1,5 m; A - số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng • Ứng với thđ = 137,9oC nội suy, ta có: r = 2156,3.103J/kg Tính lần 1: giả sử chênh lệch nhiệt độ màng bão hòa oC a)Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ: • Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = oC → tt1= t1tb- ∆t1= 137,9- 2= 135,9(oC) Khi ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: (oC) Từ tm =136,9oC tra bảng ta được: A = 193 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM Vậy : α1 =11464 W/m2.oC b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 Chọn Re = 10500 Hệ số cấp nhiệt α tính theo cơng thức: Suy ra: Trong : Prt- chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình tường, thơng số khác tính theo nhiệt độ trung bình dòng; εk-hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỷ số chiều dài l đường kính d ống Ta chọn d = 34x2m mm H = 1,5 m Dựa vào bảng 1.3 ta có : → εk = • Tính chuẩn số Pr theo cơng thức : EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM Trong đó: Cp - nhiệt dung riêng hỗn hợp t2tb; μ - độ nhớt dung dịch t2tb; λ - hệ số dẫn nhiệt độ t2tb tính theo cơng thức: Trong đó: ρ - khối lượng riêng hỗn hợp, kg/m3; M - khối lượng phân tử hỗn hợp, kg/kmol; Ta có : Cp =3904,58J/kg oC ε - hệ số phụ thuộc mức độ liên kết chất lỏng, với chất lỏng kết hợp ( dung dịch NaOH- nước ) ε kết hợp = 3,58.10-8 • Tại t2tb =71,9oC nội suy ta có : Tại 600C:ρNaOH-N (12%) =1,1101.103kg/m3; Tại 800C: ρNaOH-N (12%) =1,0983.103kg/m3; => ρNaOH-N(12%)=1,1042 103 kg/m3 λ = 0,58W/m.oC Tại t2tb = 71,9oC : Nội suy ta được: EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM μhh = 0,91.10-3(Ns/m2) Do đó: • Tính chuẩn số Prt : Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 11464.2 q1 = 22928 (W/m2) Hiệu số nhiệt độ hai phía thành ống: ∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt Trong đó: tt2 - nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp, oC; ∑rt - nhiệt trở hai bên ống truyền nhiệt, m2.oC /W Trong đó: rt1, rt2 - nhiệt trở cặn bẩn hai phía tường, m2.độ/W; δ - bề dày ống truyền nhiệt, (m); chọn δ = mm = 0,002 m; λ - hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm ống, W/m.oC; với thép CT3 ta có λ = 46,5 W/m.độ Dựa vào bảng [ 3.4 ] ta chọn: rt1 =1,16.10-3 , m2.độ/W rt2 =0,464.10-3 , m2.độ/W EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM ∑rt = 1,667.10-3 (m2.độ/W) ∆tt = q1.∑rt= 22928.1,667.10-3= 38,2(oC) Do đó: → tt2 = tt1 – ∆tt = 135,9– 38,2= 97,7 (oC) ∆t2 = tt2 – t2tb = 97,7- 71,9= 25,8 (oC) Tại tt2 = 97,7oC Theo bảngI.154/172-STHCT1 ,nội suy ta có: CNaOH = 3838,97J/kg.độ Tại tt2 = 97,7oC: Theo bảng I.23/35-STHCT1, nội suy ta có : Tại tt2 = 97,7oC: Theo bảng I.107/100-STHCT1, nội suy ta có: μhh = 0,605.10-3 (Ns/m2) Ta được: λt = 0,56 (W/m2.oC) 10 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM Vậy: α2 = 1603,2(W/m2.độ) → q2 = α2.∆t2 = 1603,2 25,8 q2 = 41363 (W/m2) Ở ta thấy nhiệt tải riêng phía ngưng tụ q 1= 22928 W/m2 khác xa với nhiệt tải riêng phía hỗn hợp chảy xốy q 2= 41363W/m2 Mà toán ta xét truyền nhiệt ổn định nên q1= q2= qtb, vậy, để tìm giá trị qtb ta phải tính lặp Tính lần 2: giả sử chênh lệch nhiệt độ màng bão hòa 3oC a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ theo công thức: , W/m2oC Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = 3oC → tt1= t1tb- ∆t1= 137,9- 2,5= 134,9(oC) Khi ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: 11 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM (oC) Từ tm = 136,7oC tra bảng ta được: A = 193 (W/m2.độ) Vậy : b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy α2 Chọn Re = 10500 Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 10359.3 = 31077 (W/m2) Hiệu số nhiệt độ hai phía thành ống: ∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt Ta có: ∑rt = 1,667.10-3 , m2.độ/W → ∆tt=31077.1,667.10-3= 51,8(oC) tt2 = tt1 – ∆tt = 134,9– 51,8= 83,1(oC) ∆t2 = tt2 – t2tb= 83,1– 71,9 = 11,2 (oC) Tại tt2 = 83,1oC ta có: CM = 3832,4J/kg.độ Tại tt2 = 83,1oC ta có: ρhh = 1,0964.103 kg/m3 Tại tt2 = 83,1oC nội suy ta có: μM = 0,778.10-3 Ns/m2 12 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM λt = 0,57(W/m.độ) Vậy: α2 = 1513,13(W/m2.độ) → q2 = α2.∆t2 =1513,13.11,2= 16947,1( W/m2) Dựa vào lần tính ta có đồ thị: 13 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM q q2 q1 ∆t 2,5 Tính lần 3: Chênh lệch nhiệt độ màng bão hòa dựa theo đờ thị 2,5oC a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ theo cơng thức: , W/m2oC Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = 2,5oC → tt1= t1tb- ∆t1= 137,9- 2,5= 135,4(oC) Khi ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: (oC) 14 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM Từ tm = 136,7oC tra bảng ta được: A = 193 (W/m2.độ) Vậy : b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy α2 Chọn Re = 10500 Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 10842.2,5 = 27105 (W/m2) Hiệu số nhiệt độ hai phía thành ống: ∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt Ta có: ∑rt = 1,667.10-3 , m2.độ/W → ∆tt=27105.1,667.10-3= 45,2 (oC) tt2 = tt1 – ∆tt = 135,4 – 45,2= 90,2 (oC) ∆t2 = tt2 – t2tb= 90,2 – 71,9 = 18,3 (oC) Tại tt2 = 90,2oC ta có: CM = 3830,3 J/kg.độ Tại tt2 = 90,2oC ta có: ρhh = 1,0919.103 kg/m3 Tại tt2 = 90,2oC nội suy ta có: μM = 0,694.10-3 Ns/m2 λt = 0,56(W/m.độ) 15 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM Vậy: α2 = 1549,99(W/m2.độ) → • q2 = α2.∆t2 =1549,99.18,3= 28365( W/m2) Kiểm tra sai số ( chấp nhận) Dựa số liệu tính tốn ta có bảng số liệu: Số lần Nhiệt trở hiệu số Phía nước ngưng tụ tính t1tb 137,9 137,9 137,9 tt1 135,9 134,9 135,4 ∆t1 2,5 tm 136,9 136,4 136,7 Số Phía hỗn hợp chảy xoáy tt2 t2tb ∆t2 α1 11464 10359 10842 q1 22928 31077 27105 (Pr/Prt)0,25 Prt 16 nhiệt độ ∑rt 1,667.10-3 1,667.10-3 1,667.10-3 α2 ∆tt 38,2 51,8 45,2 q2 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM lần tính 97,7 83,1 90,2 71,9 71,9 71,9 25,8 11,2 18,3 4,15 5,23 4,75 1,1 1,04 1,06 1603,2 1513,13 1549,99 41363 16947,1 28365 Từ ta có: qtb = 27735(W/m2) IV Tính bề mặt truyền nhiệt V Số ống truyền nhiệt Số ống truyền nhiệt: n: số ống truyền nhiệt Dựa bảng quy chuẩn chọn tổng số ống với cách xếp theo hình lục giác : n = 187 ống • Số ống cạnh hình cạnh là: ống • Số ống đường xuyên tâm hình cạnh là: 15ống 17 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM • Tổng số ống khơng kể ống hình viên phân là: 169 ống • Số ống hình viên phân là:18 ống VI Đường kính thiết bị đun nóng D = t.( b – ) + 4.dn, m Trong : t – bước ống, thường lấy t = 1,2 – 1,5 dn ; dn – đường kính ngồi ống truyền nhiệt, m; b – số ống đường xuyên tâm sáu cạnh Vậy: , D = 1,5.0,034.(15 – ) + 4.0,034 D = 0,85 (m) Làm tròn: D = 0,9m = 900mm VII Tính chiều cao thiết bị Với D = 900 mm chọn nắp thiết bị hình elip có gờ, tra bảng số liệu ta chọn: Chiều cao nắp thiết bị: hl = ht + h Trong đó: ht = 225mm h = 25 mm Vậy chiều cao thiết bị: L = H + 2.hl = 1,5.900 + 2.( 225 + 25 ) = 1850 (mm) VIII Tính lại vận tốc và chia ngăn: • Xác định vận tốc thực: G = 2,5 (kg/s) 18 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM n = 187 ống d = 0,03 m ρ = 1,1042 103kg/m3 → ωt = 0,017(m/s) • Xác định vận tốc giả thiết: ωgt = 0,288 (m/s) Vì: Nên ta cần phải chia ngăn để trình cấp nhiệt chế độ xốy • Số ngăn: Số ngăn cần thiết: m = 16,9 ( ngăn ) Quy chuẩn m = 18 ( ngăn ) • Tính lại chuẩn số Reynolds: 19 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM Vậy kích thước thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu là: F = 28 m2 – bề mặt truyền nhiệt; n = 187 ống – số ống truyền nhiệt; D = 900 mm – đường kính thiết bị; H = 1,5 m – chiều cao hai mặt bích L = 1,85 m - chiều cao thiết bị A/ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 20 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM B/ TÍNH TỐN I.Hiệu số nhiệt độ trung bình hai lưu thể II Tính nhiệt lượng trao đổi Q III Tính hệ số cấp nhiệt cho lưu thể Tính lần a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy α2 Tính lần a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy α2 Tính lần a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy α2 10 11 11 12 IV Tính bề mặt truyền nhiệt 14 V Số ống truyền nhiệt VI Đường kính thiết bị đun nóng VII Tính chiều cao thiết bị VIII Tính lại vận tốc chia ngăn Mục Lục 14 15 15 15 18 21 ... cao thiết bị A/ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 20 EBOOKBKMT.COM - CỘNG ĐỒNG KTCĐ VIỆT NAM B/ TÍNH TỐN I.Hiệu số nhiệt độ trung bình hai lưu thể II Tính nhiệt lượng trao đổi Q III Tính hệ số cấp nhiệt. .. lưu thể Tính lần a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy α2 Tính lần a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ b) Tính hệ số cấp nhiệt. .. Tính lần a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy α2 10 11 11 12 IV Tính bề mặt truyền nhiệt 14 V Số ống truyền nhiệt VI Đường kính thiết bị