Đề tài: Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT GIÁN TIẾP A/ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 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 2 3 4 1 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 Chất tải nhiệt I (dung dịch NaOH- nước ) đi vào từ dưới đáy qua các ống lên trên và ra khỏi thiết bị, còn chất tải nhiệt II ( hơi nước bão hòa ) đi từ cửa trên của vỏ vào khoảng trống giữa các ống và vỏ rồi đi ra phía dưới Trong thiết bị diễn ra quá trình truyền nhiệt của hơi bão hòa tới hỗn hợp Các ống trong thiết bị được bố trí theo hình sáu cạnh, cách lắp ống kiểu hàn Chọn thông số kĩ thuật:  Chọn vật liệu thép CT3  Chiều cao giữa 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 của hơi nước bão hòa có áp suất 3,5 at là: Theo bảng 1.97 trang 230 sổ tay hóa công 1ta có: P1=3at : ts=132,88oC P2=4at : ts=142,92oC Nội suy ra : P=3,5at => ts=137,9 oC 2 B/ TÍNH TOÁN I.Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể: to oC t1đ t1c t2c t2đ  Hiệu số nhiệt độ lớn: Ta chọn thđ = 137,9oC, t2đ= 25 oC, t2c= ts dung dịch= 103,8 oC ∆tđ =thđ-t2đ=137,9– 25 =112,9(oC)  Hiệu số nhiệt độ bé: ∆tc = thđ-t2c=137,9– 103,8=34,1 (oC) Vì tđ tc = =3,3>2 Nhiệt độ trung bình của hai lưu thể được xác định : ∆ttb = tđ  tc � t � ln � đ � �tc � ==66oC Nhiệt độ trung bình của từng lưu thể là: Hơi đốt: t1tb =thđ=137,9C Phía hỗn hợp: t2tb = thđ– ∆ttb = 137,9 – 66=71,9(oC) 3  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 của hỗn hợp tại t2tb =71,9oC tF = 103,8 oC – nhiệt độ sôi của hỗn hợp tf = 25 oC – nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp Với Cp =3904,58J/kg.oC Vậy : Q = 2,5 3824,93.(103,8-25)=753511 (W) III Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ theo công thức: 1  2, 04 A 4 r t1.H , W/m2.oC (trang 40, sổ tay hóa công 2) Trong đó: r - Nhiệt ngưng tụ của hơi lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa, J/kg; ∆t1 - Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyền nhiệt, oC; H - chiều cao ống truyền nhiệt (m) ; chọn H = 1,5 m; A - hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng  Ứng với thđ = 137,9oC nội suy, ta có: r = 2156,3.103 J/kg Tính lần 1: giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa là 2 oC a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ: 4  Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = 2 oC → tt1= t1tb- ∆t1= 137,9- 2= 135,9(oC) Khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: tm  t1tb  tt1 137,9  135,9   136,9 2 2 (oC) Từ tm =136,9oC tra bảng ta được: A = 193 2156,3.103 1  2, 04.193 2.1, 5 4 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 được tính theo công thức: 0,25 �Pr � Nu  0, 021. k Re0,8 Pr 0,43 � � �Prt � 0,25 Suy ra: �Pr �    0, 021 . k Re0,8 Pr 0,43 � � d �Prt � Trong đó : Prt- chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình của tường, còn các thông số khác tính theo nhiệt độ trung bình của dòng; εk- hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống 5 Ta chọn d = 34x2m mm H = 1,5 m Dựa vào bảng 1.3 ta có : L 1, 5   50 d 0, 03 → εk = 1  Tính chuẩn số Pr theo công thức : Pr = C p   Trong đó: Cp - nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở t2tb; μ - độ nhớt của dung dịch ở t2tb; λ - hệ số dẫn nhiệt độ ở t2tb tính theo công thức:    C p  3  M Trong đó: ρ - khối lượng riêng của hỗn hợp, kg/m3; M - khối lượng phân tử của hỗn hợp, kg/kmol; Ta có : Cp =3904,58 J/kg oC ε - hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng, với chất lỏng kết hợp ( dung dịch NaOH- nước ) thì ε kết hợp = 3,58.10-8  Tại t2tb =71,9oC nội suy ta có : Tại 600C : ρNaOH-N (12%) =1,1101.103 kg/m3 ; Tại 800C: ρNaOH-N (12%) =1,0983.103 kg/m3 ; => ρNaOH-N(12%)=1,1042 103 kg/m3 3 1,1042.10   3,58.10 3904,58.1,1042.10 3 20, 64 8 3 λ = 0,58 W/m.oC 6 Tại t2tb = 71,9oC : Nội suy ta được: μhh = 0,91.10-3(Ns/m2) Pr = C p   Do đó: 3904,58.0,91.103   6,1 0,58  Tính chuẩn số Prt : Prt = C pt hh t Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 11464.2 q1 = 22928 (W/m2) Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống: ∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt Trong đó: tt2 - nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp, oC; ∑rt - nhiệt trở ở hai bên ống truyền nhiệt, m2.oC /W �rt  rt1    rt 2  Trong đó: rt1, rt2 - nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của tường, m2.độ/W; δ - bề dày của ống truyền nhiệt, (m); chọn δ = 2 mm = 0,002 m; λ - hệ số dẫn nhiệt của 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 7 �r  0, 464.10 3 t  0, 002  1,16.10 3 46,5 ∑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 bảng I.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 :  hh  1, 0855.103  kg / m3  Tại tt2 = 97,7oC: Theo bảng I.107/100-STHCT1, nội suy ta có: μhh = 0,605.10-3 (Ns/m2) Ta được: t   k C pt t 3 t M 3 1, 0855.10 t  3,58.10 3838,97.1, 0855.10 3 20, 64 8 3 λt = 0,56 (W/m2.oC) Prt = Prt  C pt  hh t 3838,97.0, 605.103  4,15 0,56 8 0,25 Vậy: �Pr �   2  0, 021 . k Re0,8 Pr 0,43 � � d �Prt � 0,25 0,58 �6,1 �  2  0, 021 .105000,8.6,10,43 � � 0, 03 �4,15 � α2 = 1603,2(W/m2.độ) → q2 = α2.∆t2 = 1603,2 25,8 q2 = 41363 (W/m2) Ở đây ta thấy rằng nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ q 1= 22928 W/m2 khác xa với nhiệt tải riêng về phía hỗn hợp chảy xoáy q 2= 41363 W/m2 Mà bài toán ta đang xét là truyền nhiệt ổn định nên q1= q2= qtb, do vậy, để tìm giá trị qtb ta phải tính lặp Tính lần 2: giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa là 3oC a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ theo công thức: 1  2, 04 A 4 r t1.H , W/m2oC Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = 3 oC → tt1= t1tb- ∆t1= 137,9- 2,5= 134,9(oC) Khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: tm  t1tb  tt1 137,9  134,9   136, 4 2 2 (oC) Từ tm = 136,7oC tra bảng ta được: A = 193 9 Vậy : 2156,3.103 1  2, 04.193 4  10359 3.1, 5 (W/m2.độ) b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 Chọn Re = 10500 Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 10359.3 = 31077 (W/m2) Hiệu số nhiệt độ ở 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 1, 0964.103 t  3,58.10 3832, 4.1, 0964.10 20, 64 8 3 λt = 0,57(W/m.độ) Prt = C pt hh t 10 3 3832, 4.0, 778.103 Prt   5, 23 0,57 0,25 0,58 �6,1 �  2  0, 021 .105000,8.6,10,43 � � 0, 03 �5, 23 � Vậy: α2 = 1513,13(W/m2.độ) → q2 = α2.∆t2 =1513,13.11,2= 16947,1( W/m2) Dựa vào 2 lần tính ta có đồ thị: q q2 q1 ∆t 0 2 2,5 3 Tính lần 3: Chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa dựa theo đồ thị trên là 2,5 oC a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ theo công thức: 11 1  2, 04 A 4 r t1.H , W/m2oC Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = 2,5 oC tt1= t1tb- ∆t1= 137,9- 2,5= 135,4(oC) → Khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: tm  t1tb  tt1 137, 9  135, 4   136, 7 2 2 (oC) Từ tm = 136,7oC tra bảng ta được: A = 193 2156,3.103 1  2, 04.193  10842 2,5.1, 5 (W/m2.độ) 4 Vậy : b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 Chọn Re = 10500 Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 10842.2,5 = 27105 (W/m2) Hiệu số nhiệt độ ở 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 = 90,2 oC ta có: ρhh = 1,0919.103 kg/m3 Tại tt2 = 90,2oC nội suy ta 12 có: μM = 0,694.10-3 Ns/m2 t  3,58.108.3830,3.1, 0919.103 3 1, 0919.103 20, 64 λt = 0,56(W/m.độ) Prt = C pt hh t 3830,3.0, 694.10 3 Prt   4, 75 0,56 0,25 0,58 �6,1 �  2  0, 021 .105000,8.6,10,43 � � 0, 03 �4, 75 � Vậy: α2 = 1549,99(W/m2.độ) → q2 = α2.∆t2 =1549,99.18,3= 28365( W/m2)  Kiểm tra sai số  q2  q1 28365  27105 100 0 0  100 0 0 q2 28365   4, 4 0 0  5 0 0 ( chấp nhận) Dựa trên số liệu tính toán ta có bảng số liệu: Số lần tính 1 2 3 Nhiệt trở và hiệu số Phía hơi nước ngưng tụ t1tb 137,9 137,9 137,9 tt1 135,9 134,9 135,4 ∆t1 2 3 2,5 tm 136,9 136,4 136,7 α1 11464 10359 10842 13 q1 22928 31077 27105 nhiệt độ ∑rt 1,667.10-3 1,667.10-3 1,667.10-3 ∆tt 38,2 51,8 45,2 Số Phía hỗn hợp chảy xoáy lần tính 1 2 3 tt2 t2tb ∆t2 Prt (Pr/Prt)0,25 α2 q2 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 trên ta có: qtb  q1  q2 28365  27105  2 2 qtb = 27735(W/m2) IV Tính bề mặt truyền nhiệt F Q 753511   27, 2  m 2  qtb 27735 V Số ống truyền nhiệt d td  dt  d n 0, 03  0, 034   0, 032  m  2 2 Số ống truyền nhiệt: n F 27, 2   180, 5  d H 3,14.0, 032.1, 5 n: số ống truyền nhiệt 14 Dựa bảng quy chuẩn và chọn tổng số ống với cách sắp xếp theo hình lục giác là : n = 187 ống  Số ống trên một cạnh của hình 6 cạnh là: 7 ống  Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là: 15ống  Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân là: 169 ống  Số ống trong các hình viên phân là: 18 ống VI Đường kính trong thiết bị đun nóng D = t.( b – 1 ) + 4.dn, m Trong đó : t – bước ống, thường lấy t = 1,2 – 1,5 dn ; dn – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m; b – số ống trên đường xuyên tâm sáu cạnh Vậy: , D = 1,5.0,034.(15 – 1 ) + 4.0,034 D = 0,85 (m) Làm tròn: D = 0,9m = 900mm VII Tính chiều cao của thiết bị Với D = 900 mm chọn nắp thiết bị hình elip có gờ, tra bảng số liệu ta chọn: Chiều cao của nắp thiết bị: hl = ht + h Trong đó: ht = 225mm h = 25 mm Vậy chiều cao của thiết bị: L = H + 2.hl = 1,5.900 + 2.( 225 + 25 ) = 1850 (mm) VIII Tính lại vận tốc và chia ngăn: 15  Xác định vận tốc thực: 4.G  d 2 n. t  G = 2,5 (kg/s) n = 187 ống d = 0,03 m ρ = 1,1042 103 kg/m3 → t  4.2,5 3,14.0, 032.187.1,1042 103 ωt = 0,017(m/s)  Xác định vận tốc giả thiết: Re. 10500.0,91.103 gt   d  0, 03.1,1042 103 ωgt = 0,288 (m/s) Vì:  gt  t 0, 288  0, 017 100 0 0   94,1 0 0  10 0 0  gt 0, 288 Nên ta cần phải chia ngăn để quá trình cấp nhiệt ở chế độ xoáy  Số ngăn: m Số ngăn cần thiết:  gt 0, 288  t 0, 017 m = 16,9 ( ngăn ) Quy chuẩn m = 18 ( ngăn )  Tính lại chuẩn số Reynolds: 16 Re  4.G 4.2,5   11229  104  d n1. 3,14.0, 03 187 0,91.10 3 18 Vậy các kích thước của 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 trong của thiết bị; H = 1,5 m – chiều cao giữa hai mặt bích L = 1,85 m - chiều cao của thiết bị 17 A/ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 1 B/ TÍNH TOÁN 3 I.Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể 3 II Tính nhiệt lượng trao đổi Q 4 III Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể 4 Tính lần 1 4 a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ 4 b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 5 Tính lần 2 9 a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 Tính lần 3 a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 9 10 11 11 12 IV Tính bề mặt truyền nhiệt 14 V Số ống truyền nhiệt VI Đường kính trong thiết bị đun nóng VII Tính chiều cao của thiết bị VIII Tính lại vận tốc và chia ngăn Mục Lục 14 15 15 15 18 18 ... chiều cao thiết bị 17 A/ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 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... 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: ... 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