II. Tính toán thiết bị
2. Thiết bị ngưng tụ
4.4. Xác định bề mặt truyền nhiệt
Để tính toán diện tích cần thiết của thiết bị làm lạnh (ngưng tụ) ta có thể dụa vào định luật Niuton và Furie. Theo định luật này: “Lượng nhiệt truyền qua theo hướng thẳng vuông góc với mặt phẳng của thành ống của thiết bị làm lạnh sẽ tỷ lệ thuận với diện tích làm lạnh F (m2) của thành ống, với thời gian (Z) mà nhiệt lượng đó đi quá với sự chênh lệch về nhiệt độ (Δt°C) giữa hai thành ống ở hai phía”.
Trong đó:
Q: Lượng nhiệt truyền qua thành ống theo phương vuông góc F: diện tích truyền nhiệt
Z: thời gian truyền nhiệt
Δt: Hiệu số nhiệt độ giữa hai phía thành ống
K: Hệ số truyền nhiệt, biểu diễn lượng nhiệt truyền qua 1m2 bề mặt của thành ống trong một giờ với hiệu số nhiệt độ là 1°C
Qua đó ta có, bề mặt truyền nhiệt được xác định: Chọn thiết bị ngưng tụ ống chùm đặt nằm ngang.
Ống truyền nhiệt được làm bằng thép không gỉ SUS 304.
Kích thước ống: 25x2 (mm), dng = 25mm, dtr = 25 – 2.2 = 21mm, độ dày δ = 2mm.
Chiều dài ống là L = 1 (m).
Chọn vận tốc nước đi trong ống: = 0,4 (m/s).
4.4.1. Xác định Δt
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
4.4.2. Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức sau:
Trong đó: + N : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m2.oK) + R : hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/m2.oK) + rt : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu
4.4.2.1. Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống N: Chuẩn số Reynolds:
Đây là chế độ chảy rối, công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng: Trong đó:
+ : hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds và tỷ lệ giữa chiều dài ống với đường kính trong của ống
Tra bảng 1.3 tài liệu [7]:
+ PrN : chuẩn số Prandlt của nước ở 34oC, nên PrN = 5
+ Prw : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách Suy ra:
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: Nhiệt tải phía nước làm lạnh:
Với tw2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống). 4.4.2.2. Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
Trong đó:
+ tw1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hỗn hợp tinh dầu – nước (ngoài ống)
Bề dày thành ống: t = 2 (mm)
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: t = 17,5 (W/m.oK) Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch:
Suy ra: Vậy:
4.4.2.3. Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ: Đặt:
Với ẩn nhiệt ngưng tụ: r1 = r = 2095 (KJ/kg) Và = 98,6 °C
Ta có:
Nhiệt tải ngoài thành ống:
4.4.2.4. Từ đó, ta dùng phương pháp lặp để xác định tw1, tw2
Chọn: tw1 = 60oC :
Các tính chất lý học của hỗn hợp ngưng tụ được tra ở tài liệu [5] ứng với: + Khối lượng riêng: 1 = 767,68 (kg/m3)
+ Độ nhớt động lực: 1 = 0,6018.10-3 (N.s/m2) + Hệ số dẫn nhiệt: 1 = 0,2073 (W/moK)
Khi đó: Ta có:
- Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể thì: qt = qR = 10355,52 (W/m2) Ta có:
Suy ra:
Tra tài liệu tham khảo [5], Prw = 3,654 Ta có:
Thỏa mãn.
Vậy: tw1 = 60oC và tw2 = 56,7oC Khi đó:
Ta có:
4.4.3. Bề mặt truyền nhiệt F
Bề mặt truyền nhiệt cần thiết để ngưng tụ lượng hơi của quá trình chưng cất là:
Số ống cần thiết để ngưng tụ là:
n = 16,9
Theo tiêu chuẩn, chọn n = 17 ống
Chọn cách xếp ống thẳng hàng, bố trí theo dạng hình sáu cạnh.
Đường kính thiết bị ngưng tụ: D = 1,4dng.(2a-2) + 4.dng = 0,24m = 240 mm Trong đó: dng – đường kính ngoài của ống, m.
a – số ống nằm trên một cạnh của hình sáu cạnh ngoài cùng, a = 3.