1.1. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:
Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống trong: 16x1,6 ; kích thước ống ngồi: 25x2,5.
Chọn: + Nước làm lạnh đi trong ống trong (Φ14/16) với nhiệt độ đầu: tN = 28oC, nhiệt độ cuối: t’N = 40oC.
+ Sản phẩm đỉnh đi trong ống ống ngồi(Φ26/28) với nhiệt độ đầu:tD = 79oC, nhiệt độ cuối: t’D = 35oC.
Cc tính chất lý học của nước làm lạnh được tra ở [4- (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung bình
t2 = =34oC:
+ Nhiệt dung riêng: cN = 4,181 (KJ/kg.độ). + Khối lượng riêng: ρN = 994,4 (Kg/m3). + Độ nhớt động lực: µN = 0,5811.10-3 (N.s/m2). + Hệ số dẫn nhiệt: λN = 0,629 (W/moK).
Các tính chất lý học của sản phẩm đỉnh được tra ở tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với
nhiệt độ trung bình t1 = oC:
+ Nhiệt dung riêng: cD= 3055,418 (J/kg.độ). + Khối lượng riêng: ρD = 779,237 (kg/m3). + Độ nhớt động lực: µD = 0,6911.10-3 (N.s/m2). + Hệ số dẫn nhiệt: λD = 0,214 (W/moK).
a . Suất lượng nước cần dùng để làm mát sản phẩm đỉnh:
Suất lượng sản phẩm đỉnh:
GD = 805,771 (kg/h) = 0,224 (Kg/s). Lượng nhiệt cần tải:
QD = GD.cD.(tD-t’D) = 0,224 . 2889,184 . (79 - 35) = 28475,798 (J/s) = 28,476 (kJ/s). Suất lượng nước cần dùng:
GN = = 0,567 (kg/s).
b . Xác định bề mặt truyền nhiệt :
790C
350C
Ftb = ,(m2) (IV.7). Với: + K : hệ số truyền nhiệt.
+ ∆tlog : nhiệt độ trung bình logarit.
• Xác định ∆tlog :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều.
(oK).
• Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức: K = (W/m2.oK)
Với: + αN : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m2.oK). + αD : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh (W/m2.oK). + δ: bề dày lớp cáu (m).
* Dịng nĩng (sản phẩm đỉnh ở ống ngồi)
Vận tốc của sản phẩm đỉnh đi trong ống ngồi:
0,871 (m/s). Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,026 - 0,016 = 0,01 (m).
Chuẩn số Reynolds :
9820,799 > 2320 : chế độ quá độ.
Chuẩn số Nusselt cĩ dạng:
Trong đĩ:
εl : hệ số hiệu chỉnh, giá trị của ε1 phụ thuộc vào tỉ lệ L/d khi Re < 104. Ta cĩ = = 58 → εl =1.
C : hệ số phụ thuộc vo chuẩn số Reynolds, ReD = 9820,799 → C = 32,462.
PrD : chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở 57oC,
= 9,867
Prv1 : chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ trung bình của vách. ►NuD = 32,462 . 9,8670,43 . =
* Dịng lạnh (nước trong ống nhỏ)
Vận tốc nước đi trong ống:
3,704 (m/s).
Chuẩn số Reynolds :
88737,922 > 104 : chế độ chảy rối.
tN tw2 tw1 tD Δtlog ΔtV Δt1 Δt2 Trong đĩ:
εl : hệ số hiệu chỉnh, giá trị của ε1 phụ thuộc vào tỉ lệ L/d và ReN. Ta cĩ = = 107 và ReN = → εl =1.
PrN : chuẩn số Prandlt của nước ở 34oC → PrN = 4,976
Prw2 : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách. ►
= 0,021 . 88737,9220,8 . 4,9760,43 .
=
● Nhiệt độ thành ống tw1 và tw2
Sơ đồ phân bố nhiệt độ khi truyền nhiệt giữa các lưu chất qua vách ngăn.
Ta thực hiện phép tính lặp.
Khởi điểm ta chọn gần đúng hiệu số giữa nhiệt độ lưu chất và vách ngăn như sau: ~
Suy ra: = = 15,4230C = 1,7060C → tv1 = t1 - Δt1 = 57 – 15,423 = 41,5770C → tv2 = Δt2 + t2 = 1,706 + 34 = 35,7060C * Dịng nĩng (sản phẩm đỉnh ở ống lớn) Prv1 = Nhiệt độ tv1 = 41,5770C
Nhiệt dung riêng: cv1= 2460,595 (J/kg.độ).
Độ nhớt động lực: µv1 = 0,789.10-3 (N.s/m2).
Hệ số dẫn nhiệt: λv1 = 0,214 (W/moK).
Prv1 = = = 9,073
NuD = = 88,712
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống lớn:
αD = = = 1898,437
* Dịng lạnh (nước trong ống nhỏ)
Prv2 =4,787
NuN = = 384,211
Hệ số cấp nhiệt của nước làm nguội trong ống nhỏ:
αN = = = 17262,051 K = = = 1668,161 (W/m2.0K) THỬ LẠI Δt’1 = = = 16,370C → Sai số 5,8% (Chấp nhận) Δt’2 = = = 1,80C →Sai số 5,2% (Chấp nhận)
Ftb = = = 0,916 (m2) ► Chiều dài ống truyền nhiệt:
L = = 19,438 (m) → Chọn L = 20 (m)
Vậy: Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 20 (m), chia thành 10 dãy, mỗi dãy dài 2 (m).
1.2. Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy:
Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T.
Chọn: + Dịng nhập liệu đi trong ống trong (Φ25/27) với nhiệt độ đầu: tF = 28oC, nhiệt độ cuối: t’F chưa biết.
+ Sản phẩm đáy đi trong ống ngồi (Φ38/40) với nhiệt độ đầu:tW = 100oC, nhiệt độ cuối: t’W = 60oC.
Các tính chất lý học của sản phẩm đáy được tra ở [4- (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung
bình t1 = = = 80oC
+ Nhiệt dung riêng: cW = 4,187 (kJ/kg.độ). + Khối lượng riêng: ρW = 971,174 (kg/m3). + Độ nhớt động lực: µW = 0,358.10-3 (N.s/m2). + Hệ số dẫn nhiệt: λW = 0,655 (W/moK).
a . Nhiệt độ dịng nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy:
Suất lượng sản phẩm đáy:
GW = 2104,281 (kg/h) = 0,585 (kg/s) Lượng nhiệt cần tải:
Qt = .cW.(tW-t’W) = .4,187.(100-60) = 97,896 (kW). Ở 28oC, ta xem nhiệt dung riêng của dịng nhập liệu là hằng số
cF = cR . +(1- ).cN = 2,572 . 0,252 + (1- 0,252) . 4,178 = 3,773 (kJ/kg.độ). Nhiệt độ dịng nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy:
tF = = 60,098oC.
Các tính chất lý học của sản phẩm đỉnh được tra ở [4- (tập 1)] ứng với nhiệt độ trung
bình t1 = oC
+ Nhiệt dung riêng: cF = 3,821 (kJ/kg.độ). + Khối lượng riêng: ρF = 934,279 (kg/m3). + Độ nhớt động lực: µF = 0,634.10-3 (N.s/m2). + Hệ số dẫn nhiệt: λF = 0,524 (W/moK).
b . Xác định bề mặt truyền nhiệt :
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Ftb = ,(m2) (IV.7). Với: + K : hệ số truyền nhiệt.
1000C Loan
GVHD: Vũ Bá Minh
• Xác định ∆tlog :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều.
(oK).
• Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức: K = (W/m2.oK)
Với: + αN : hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m2.oK). + αD : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh (W/m2.oK). + δ: bề dày lớp cáu (m).
+ Cu: hệ số dẫn nhiệt của kim loại đồng(W/mK), Cu=385 (W/mK).
* Dịng nĩng (sản phẩm đáy ở ống ngồi)
Vận tốc của sản phẩm đáy đi trong ống ngồi:
1,073 (m/s). Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,038 - 0,027 = 0,011 (m).
32018,901 > 104 : chế độ chảy rối.
Chuẩn số Nusselt cĩ dạng:
Trong đĩ:
εl : hệ số hiệu chỉnh, giá trị của ε1 phụ thuộc vào tỉ lệ L/d và ReN. Ta cĩ = = 39 và ReN = 32018,90 → εl =1,02
PrW : chuẩn số Prandlt của sản phẩm đáy ở 80oC. PrW = = = 2,288
Prv1 : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách. ►
= 0,021 . 1,02 . 32018,9010,8 . 2,2880,43 .
=
* Dịng lạnh (dịng nhập liệu trong ống nhỏ)
Vận tốc nước đi trong ống:
1,763 (m/s).
Chuẩn số Reynolds :
64950,074 > 104 : chế độ chảy rối.
Chuẩn số Nusselt cĩ dạng:
Trong đĩ:
εl : hệ số hiệu chỉnh, giá trị của ε1 phụ thuộc vào tỉ lệ L/d và ReN. Ta cĩ = = 60 và ReN = 64950,074 → εl =1.
PrF : chuẩn số Prandlt của dĩng nhập liệu ở 44,0490C PrF = = = 4,623
tF tv2 tv1 tW Δtlog ΔtV Δt1 Δt2 ► = 0,021 . 64950,0740,8 . 4,623 0,43 . = ● Nhiệt độ thành ống tv1 và tv2
Sơ đồ phân bố nhiệt độ khi truyền nhiệt giữa các lưu chất qua vách ngăn.
Ta thực hiện phép tính lặp.
Khởi điểm ta chọn gần đúng hiệu số giữa nhiệt độ lưu chất và vách ngăn như sau:
~
Hiệu số nhiệt độ log biểu diễn như sau:
Suy ra:
= = 22,9780C
= 11,3280C
→ tv2 = Δt2 + t2 = 11,328 + 44,049 = 55,3770C
* Dịng nĩng (sản phẩm đáy ở ống ngồi)
Prv1 =
Nhiệt độ tv1 = 57,0220C
Nhiệt dung riêng: cv1= 4,184 (J/kg.độ).
Độ nhớt động lực: µv1 = 0,493.10-3 (N.s/m2).
Hệ số dẫn nhiệt: λv1 = 0,653 (W/moK).
Prw1 = = = 3,159 NuW = = 113,419
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống lớn:
αD= = = 6753,586
* Dịng lạnh (dịng nhập liệu trong ống nhỏ)
Prv2 =
Nhiệt độ tv2 = 55,3770C
Nhiệt dung riêng: cv2= 3,865 (J/kg.độ).
Độ nhớt động lực: µv2 = 0,54.10-3 (N.s/m2).
Hệ số dẫn nhiệt: λv2 = 0,531 (W/moK).
Prv2 = = = 3,931
NuF = = 299,093
Hệ số cấp nhiệt của nước làm nguội trong ống nhỏ:
αF = = = 6268,989 K = = = 3223,911 (W/m2.0K) THỬ LẠI Δt’1 = = = 17,0920C → Sai số 26% (Khơng chấp nhận) Δt’2 = = = 18,4140C →Sai số 63% (Khơng chấp nhận) TÍNH LẶP LẦN 2: Với: Δt1= 17,0920C Δt2 = 18,4140C → tv1 = t1 - Δt1 = 80 – 17,092 = 62,9080C → tv2 = Δt2 + t2 = 18,414 + 44,049 = 62,4630C
* Dịng nĩng (sản phẩm đáy ở ống ngồi)
Prv1 =
Nhiệt độ tv1 = 62,9080C
Độ nhớt động lực: µv1 = 0,453.10-3 (N.s/m2).
Nhiệt dung riêng: cv1= 4,186 (J/kg.độ).
Hệ số dẫn nhiệt: λv1 = 0,657 (W/moK).
Prw1 = = = 2,886
NuW = = 116,011
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống lớn:
αD= = = 6907,928
* Dịng lạnh (dịng nhập liệu trong ống nhỏ)
Prv2 =
Nhiệt độ tv2 = 62,4630C
Nhiệt dung riêng: cv2= 3,89 (J/kg.độ).
Độ nhớt động lực: µv2 = 0,557.10-3 (N.s/m2).
Hệ số dẫn nhiệt: λv2 = 0,534 (W/moK).
Prv2 = = = 4,058
NuF = = 296,725
Hệ số cấp nhiệt của nước làm nguội trong ống nhỏ:
αF = = = 6219,356 K = = = 3245,205 (W/m2.0K) THỬ LẠI Δt’1 = = = 16,8210C → Sai số 1,6% (Chấp nhận) Δt’2 = = = 18,683C →Sai số 1,5% (Chấp nhận)
► Bề mặt truyền nhiệt trung bình được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Ftb = = = 0,842 (m2) ► Chiều dài ống truyền nhiệt:
L = = 10,308 (m) → Chọn L = 11 (m)
Vậy: Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 11 (m),.
1.3. Thiết gia nhiệt nhập liệu :
Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T.
+ Dịng nhập liệu đi trong ống trong (Φ25/27) với nhiệt độ đầu: t’F = 60,098oC, nhiệt độ cuối: t’’F = 860C.
+ Chọn hơi gia nhiệt là hơi nước 1 at, đi trong ống ngồi (Φ38/40) . Các tính chất vật lý của hơi gia nhiệt tra ở [4- (tập 1)], ta cĩ:
+ Nhiệt độ sơi: tsN = 100oC.
+ Ẩn nhiệt ngưng tụ: rN = 2260 (kJ/kg).
Các tính chất lý học của dịng nhập liệu được tra ở tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ứng với
nhiệt độ trung bình t2 = =73,049oC:
+ Nhiệt dung riêng: cF = 3,924 (kJ/kg.độ). + Khối lượng riêng: ρF = 916,8 (kg/m3). + Độ nhớt động lực: µF = 0,419.10-3 (N.s/m2). + Hệ số dẫn nhiệt: λF = 0,54 (W/moK).
a . Suất lượng hơi nước cần dùng :
Lượng nhiệt cần tải cung cấp cho dịng nhập liệu:
Qc = .cF.(tF – t”F) = . 3,924 . (86 – 60,098) = 82,159 (kW). Suất lượng hơi nước cần dùng:
GhN = = 0,0364 (kg/s).
b . Xác định bề mặt truyền nhiệt :
1000C
Ftb = (m2) (IV.22). Với: + K : hệ số truyền nhiệt.
+ ∆tlog : nhiệt độ trung bình logarit.
• Xác định ∆tlog :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
24,73 (oK).
• Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:
,(W/m2.oK) (IV.23). Với: + αF : hệ số cấp nhiệt của dịng nhập liệu (W/m2.oK).
+ αN : hệ số cấp nhiệt của hơi nước (W/m2.oK). + ∑rt : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu.
* Xác định hệ số cấp nhiệt của dịng nhập liệu trong ống nhỏ:
Vận tốc dịng nhập liệu đi trong ống ngồi:
Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,038 - 0,027 = 0,011 (m).
Chuẩn số Reynolds :
> 104 : chế độ chảy rối.
Chuẩn số Nusselt cĩ dạng:
Trong đĩ:
εl : hệ số hiệu chỉnh, giá trị của ε1 phụ thuộc vào tỉ lệ L/d và ReN. Ta cĩ = = 39 và ReN = 37787,914 → εl =1,02
PrF : chuẩn số Prandlt của dịng nhập liệu ở 74,033oC, nên
PrF = = 3,045
Prv1 : chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình của vách.
►
= 0,021 . 1,02 . 37787,9140,8 . 3,0450,43 . =
αF =
Nhiệt tải phía dịng nhập liệu:
(W/m2) (IV.24). Với tv2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với dịng nhập liệu (trong ống nhỏ).
* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
, (W/m2). Trong đĩ:
+ tv1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước (ngồi ống nhỏ).
+
Bề dày thành ống: δt = 2(mm).
Hệ số dẫn nhiệt của thép khơng gỉ: λt = 17,5 (W/moK). Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch: r1 = 1/5000 (m2.oK/W).
Nhiệt trở lớp cáu phía sản phẩm đỉnh: r2 = 1/5000 (m2.oK/W). Suy ra: ∑rt = 1/1944,444 (m2.oK/W).
Vậy: qt = 1944,444.(tv1-tv2) (IV.25).
* Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước trong ống nhỏ:
Đường kính tương đương: dtd = Dtr –dng = 0,038- 0,027 = 0,011 (m) Hệ số cấp nhiệt của hơi nước được xác định theo cơng thức:
αN= =
Với: + A : hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ màng tm = , được tra ở [4- (tập 1) – trang 29]
Nhiệt tải phía hơi nước:
(W/m2) (IV.26).
Chọn: tv1 = 98oC
Khi đĩ, ở nhiệt độ trung bình = 99oC ta tra được A = 178,5 Từ (IV.26): qN = 86,799 . 178,5 . (100 – 98)0,75
= 26057,0616 (W/m2).
Xem nhiệt tải mất mát là khơng đáng kể: qt = qN =26057,0616 (W/m2).
Từ (IV.25), ta cĩ: tv2 = tv1- = 98 - = 84,6oC
Suy ra: ttbv = = oC
Các tính chất lý học của dịng nhập liệu được tra ở [4- (tập 1)], ứng với nhiệt độ trung bình ttbv = 91,3oC:
+ Nhiệt dung riêng: cR = 4,006 (kJ/kg.độ). + Độ nhớt động lực: µR = 0,33.10-3 (N.s/m2). + Hệ số dẫn nhiệt: λR = 0,547 (W/moK).
Khi đĩ: Prv2 = = 2,416
Từ (IV.24): qF = (W/m2).
Kiểm tra sai số:
ε = =0,54% < 5%: thoả.
Khi đĩ: (W/m2.oC). (W/m2.oC).
Từ (IV.23): (W/m2.oC).
Từ (IV.22), bề mặt truyền nhiệt trung bình:
= 1,314 (m2). Suy ra chiều dài ống truyền nhiệt :
L (m).
Chọn: L = 20(m),(dự trữ khoảng 20%).
Kiểm tra: thì εl = 1: thoả.
Vậy: thiết bị gia nhiệt dịng nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 20(m), chia thành 10 dãy, mỗi dãy dài 2 (m).
1.4. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy:
Chọn nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy là nồi đun Kettle, ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 25x2.
+ Sản phẩm đáy trước khi vào nồi đun cĩ nhiệt độ đầu t’1 = 99oC nhiệt độ ra là tW = 100oC.
+ Chọn hơi đốt là hơi nước 2 at, đi trong ống 25x2.
Các tính chất của hơi nước gia nhiệt tra ở [4- (tập1)], ta cĩ: + Nhiệt độ sơi: tsN = 119,6oC.
+ Ẩn nhiệt ngưng tụ: rN = 2208 (kJ/kg).
Lượng nhiệt cần tải cung cấp cho đáy tháp: Qđ = 584,396 (kW). Suất lượng hơi nước cần dùng:
GhN = = 0,265 (kg/s).
b . Xác định bề mặt truyền nhiệt :
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt:
Ftb = ,(m2) (IV.12). Với: + K : hệ số truyền nhiệt.
+ ∆tlog : nhiệt độ trung bình logarit.
• Xác định ∆tlog :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
(oK).
• Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:
,(W/m2.oK) (IV.13). Với: + αN : hệ số cấp nhiệt của hơi nước (W/m2.oK).
+ αD : hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy (W/m2.oK). + ∑rt : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu.
* Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước:
Hệ số cấp nhiệt của hơi nước được xác định theo cơng thức:
αN = =
Với: + tw1 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi nước(trong ống).
+ A : hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý nước theo nhiệt độ, được tra ở tài liệu tham khảo [2].