Chương 6: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT THIẾT BỊ PHỤ
6.1.2Hê số truyền nhiệt:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức như đối với tường phẳng: , (W/m2.độ) (6.6)
Với:
- αn: hệ số cấp nhiệt của hơi đốt (W/m2.đơ)
- αs: hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy (W/m2.độ)
- : nhiệt trở qua thành ống và lớp cáu. (6.7)
- bề dày thành ống: δt = 0,003 (m)
- hệ số dẫn nhiệt của thép khơng gỉ: λt = 16,3 (W/m.độ) (tra bảng XII.7, trang 313[2]).
- Nhiệt trở lớp bẩn trong ống: r1 = 1/5800 (m2.độ/W)(tra bảng 31 trang 419[4])
- Nhiệt trở lớp cáu ngồi ống: r2 = 1/5800 (m2.độ/W)(tra bảng 31 trang 419[4])
= 5,289.10-4 (m2.độ/W)
K = = 1189,3 (W.m2.độ) Bề mặt truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt: F = 6,765 (m2) (6.6)
Cấu tạo thiết bị: n = 187 ống. ống được bố trí theo hình lục giác đều. Chiều dài ống truyền nhiệt: L = = 0,303 (m) (6.7)
Chọn chiều dài ống truyền nhiệt 0,5 (m)
6.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy:
Chọn chất giải nhiệt là nước:
- Nhiệt độ nước lạnh vào tv = 27oC
- Nhiệt độ nước lạnh ra tR = 37oC. Nhiệt độ sản phẩm đáy tws = 193,6 oC
Nhiệt độ dịng sản phẩm cần làm nguội đạt yêu cầu ra twR = 40oC. Nhiệt độ trung bình của nước: tn = (tv + tR )/2 = 30oC
Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đáy: tw =(tws + twR)/2 = 116,8oC
- Hệ số nhiệt độ trung bình:
Nhiệt độ đầu lớn ∆tl = 193,6 – 37 = 156,6 oC Nhiệt độ đầu nhỏ ∆tn = 40-27 = 13oC
∆tlog = = 57,744 oC
Nhiệt tải cần thiết để làm nguội sản phẩm đáy: Q = 748,4.104 (kJ/h) = 207,9 (KW) Lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đáy: Gn = 17862 (kg/h)
Tại nhiệt độ trung bình sản phẩm đáy 116,8oC, ta cĩ:
- Khối lượng riêng của nước: ρN = 945,01 (kg/m3)
- Khối lượng riêng của Etilenglicol: ρEG = 1041,1 (kg/m3) Nên: ρ = 1040,793 (kg/m3).
- Độ nhớt của nước: μN = 2,397.10-4 (N.s/m2)
- Độ nhớt của Etilenglicol: μEG = 1,1.10-3 (N.s/m2)
Nên: logμhh = xwlogμN + (1-xw)logμEG = 0,01.log(2,397.10-4) + (1-0,01).log(1,1.10-3)
μ = 1,083.10-3 (N.s/m2) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Hệ số dẫn nhiệt của nước : λN = 0,683 (W/m.độ)
- Hệ số dẫn nhiệt của Etilenglicol: λEG = 0,2598 (W/m.độ)
Nên: λ = λN.xw + λEG.(1 – xw) = 0,683.0,01 + (1- 0,01).0,2598 = 0,264 (W/m.độ)
- Nhiệt dung riêng của nước: CN = 4245,808 (J/kg.độ)
- Nhiệt dung riêng của Etilenglicol: CEG = 2866,01 (J/kg.độ) Nên: C = = 4245,808.0,0029 + (1- 0,0029).2866,01
= 2870,011(J/kg.độ)
- Hệ số dãn nở thể tích của nước: βN = 7,719.10-4 (1/độ)
- Hệ số dãn nở thể tích của Etilenglicol: βEG = 6,5.10-4 (1/độ)
Nên: β = xw.βN + (1- xw)βEG = 0,01.7,719.10-4 + (1 – 0,01).6,5.10-4 = 6,512.10-4 (1/độ).
Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đáy là thiết bị ống chùm, đặt nằm ngang, vật liệu X18H10 T , hệ số dẫn nhiệt λ = 16,3 W/m.độ
Chọn đường kính ngồi ống dn = 0,038 (m). loại ống 38x3, vậy đường kính trong dtr = 0,032 (m).
Chọn thiết bị gồm 187 ống, bố trí các ống hình lục giác đều với 7 vịng, số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là b = 15 (ống), số ống vịng ngồi cùng là 43 (ống).
Chọn bước ống t = 1,5dn = 1,5. 0,038 = 0,057 (m).
Đường kính trong thiết bị: Dtr = t(b-1) + 4dn = 0,057(15-1) + 4.0,038 = 0,95 (m) Chọn Dtr = 1 (m)
- Tiết diện ngang của khoảng ngồi ống:
S = = 0,785(12 – 187.0,0382) = 0,573 (m2)
- Tốc độ dịng chảy của dịng sản phẩm trong thiết bị: Vw = = = 2,537.10 -3 (m/s) - Tính chuẩn số Re Re = = 78,02 (6.8) 10< Re<2300: chế độ chảy màng. - Tính chuẩn số Pr Chọn ∆t1 = 2,5oC tt1 = tw - ∆t1 = 116,8 – 2,5 = 114,3oC. Tra hình V.12 trang 12[6] Pr 116,8 = Pr = 11,515 (6.9) Pr 114,3:Tra các giá trị cần thiết ta được:
- Hệ số dẫn nhiệt của nước λN= 0,682 (W/m.độ)
- Hệ số dẫn nhiệt của Etilenglicol λEG = 0,258 (W/m.độ)
λ = 0,262 (W/m.độ)
- Nhiệt dung riêng của nước CN = 4241(J/kg.độ)
- Nhiệt dung riêng của Etilenglicol CEG = 2854 (J/kg.độ)
C = 2858 (J/kg.độ) - Độ nhớt của nước μN = 2,46.10-4 (N.s/m2) - Độ nhớt của Etilenglicol μEG = 1,1.10-3 (N.s/m2) μ = 1,083.10-3 (N.s/m2) Pr 114,3 = = 11,814 = 0,993 - Tính chuẩn số Gr = 483331,56 (6.10) Gr 0,1 = 3,70
0,25 (6.11)
ε1: hệ số điều chỉnh tính đến sự ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt phụ thuộc theo tỉ lệ giữa chiều dài L với đường kính d
Tra bảng V.2 trang 15[6]: ε1 = 1
Nu = 7,54
- Hệ số cấp nhiệt αs = = 62,205(W/m2.độ) Xác định hệ số cấp nhiệt αN trong thiết bị
Tại nhiệt độ này thì:
- Khối lượng riêng của nước: ρN = 995,7 (kg/m3) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Độ nhớt của nước: μN = 8,007.10-4 (m2/s).
- Hệ số dẫn nhiệt của nước: λn = 0,617 (W/mK)
- Nhiệt dung riêng của nước CN = 4181,843 (J/kg.độ) Vận tốc nước chảy trong thiết bị
Vn = = 8,696.10-3 (m/s)
- Tính chuẩn số Re
Re =
- Xác định dtd. dtd = (6.12) trong đĩ:
f: thiết diện dịng chảy f = = = 0,573 (m2).
Π: chu vi thấm ướt của dịng Π = π(D + ndn) = π(1 + 187.0,038) = 25,465 (m)
dtd = 0,573/25,465 = 0,0225 (m) Re = 243,310 10<Re<2300 : chế độ chảy dịng - Tính chuẩn số Pr Chọn ∆t2 =1oC t2 = tn + ∆t2 = 30 + 1 = 31 oC. Tra hình V.12 trang 12[6] Pr 30 = Pr = 5,427
Pr 31:Tra các giá trị cần thiết ta được:
- Hệ số dẫn nhiệt của nước λN= 0,61450 (W/mK)
- Nhiệt dung riêng của nước CN = 4181,233 (J/kg.độ)
- Độ nhớt của nước μN = 7,84.10-4 (N.s/m2)
Pr 31 = = 5,335
= 1,004
= 52293,282
- Trong đó β hệ số nở khối β = 3,0263.10-4 (1/độ)
Gr 0,1 = 2,964
- Chuẩn số Nu cho chế độ chảy dòng
0,25
ε1: hệ số điều chỉnh tính đến sự ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt phụ thuộc theo tỉ lệ giữa chiều dài L với đường kính d
Tra bảng V.2 trang 15[6]: ε1 = 1
Nu = 5,66
- Hệ số cấp nhiệt αs = = 155,21 (W/m2.độ) Nhiệt tải riêng:
- q1 = αs.∆t1 = 62,205.2,5 = 155,51 (W/m2) - q2 = αn.∆t2 =155,21.1 = (W/m2)
Sai số giữa q1 và q2
ε = = 0,00193<0,05 (hợp lý)
Vậy các thông số đã chọn phù hợp - Hê số truyền nhiệt:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức như đối với tường phẳng: , (W/m2.độ) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: = 5,289.10-4 (m2.độ/độ)
K = 43,388 (W/m2.độ)
- Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt = 86,923 (m2).
- Cấu tạo thiết bị
Chiều dài ống truyền nhiệt: = 3,894 (m) Chọn chiều dài ống truyền nhiệt L = 4 (m).
6.3 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
- Dịng nĩng sản phẩm đỉnh(đi ngồi) vào tDv =107,1oC (hơi) sản phẩm đỉnh ra tDR
= 101,8oC (lỏng)
- Dịng lạnh nước(đi trong) vào tv = 27oC nước ra tR = 37oC Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn: ∆tl = 101,8 – 27 = 74,8 oC
Chênh lệch đầu nhiệt độ đầu nhỏ: ∆tn = 107,1 – 37 = 70,1oC Hiệu số nhiệt độ trung bình:
∆tlog = = 72,424
Nhiệt độ trung bình dịng nước: tt1 = 30oC
Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đáy: tt2 = 104,45oC. Theo tính tốn cần bằng truyền nhiệt thì:
- Lượng nhiệt cần thiết để ngưng tụ sản phẩm ra ở đỉnh tháp: Q = 276569,689 (kg/h)
- Lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đỉnh là Gn = 6928,098 (kg/h) Chọn loại thiết bị ống chùm, đặt nằm ngang vật liệu là thép X18H10T
Thiết bị gồm 187 ống, xếp thành 7 hình 6 cạnh, số ống ở vịng ngồi là 43 ống, số ống trên đường xuyên tâm là b = 15 (ống).
Chọn đường ống cĩ kích thước 38 x 3, đường kính ngồi ống dn = 0,038 (m), bề dày 0,003(m), đường kính trong dtr = 0,032 (m)
Chọn bước ống t = 1,5dn = 1,5.0,038 = 0,057 (m) Đường kính trong thiết bị:
Dtr = t.(b-1) + 4.dn = 0,057(15-1) + 4.0,038 = 0,95 (m) Ta chọn đường kính trong thiết bị Dtr = 1 (m).
- Tiết diện ngang của khoảng ngồi ống:
S = = 0,785(12 – 187.0,0382) = 0,573 (m2) Xác định hệ số cấp nhiệt sản phẩm đỉnh đến thành ống Tại nhiệt độ trung bình 104,45oC, ta tra các thơng số:
- Khối lượng riêng của nước: ρN = 953,71 (kg/m3)
- Khối lượng riêng của Etilenglicol: ρEG = 1051(kg/m3)
ρ = 956,686 (kg/m3)
- Hệ số dẫn nhiệt của nước: λN = 0,678 (W/m.độ)
- Hệ số dẫn nhiệt của Etilenglicol:λEG = 0,2587 (W/m.độ)
- Độ nhớt của nước: μN = 2,72.10-4 (N.s/m2)
- Độ nhớt của Etilenglicol: μEG = 1,5.10-3 (N.s/m2) logì =
μ = 2,767.10-4 (N.s/m2)
- Nhiệt dung riêng của nước CN = 4226,87 (J/kg.độ) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Nhiệt dung riêng Etilenglicol CEG = 2807,32 (J/kg.độ) C =
C = 4179,144 (J/kg.độ)
- Hệ số cấp nhiệt của hơi sản phẩm đỉnh ngưng trên một ống nằm ngang theo cơng thức (V.111),trang 30[6]
αs= 1,28 trong đĩ:
- r = rD =2200,68 (kJ/kg)
- ddt: đường kính tương đương Xác định dtd. dtd =
trong đĩ:
f: thiết diện dịng chảy f = = = 0,573 (m2).
Π: chu vi thấm ướt của dịng Π = π(D + ndn) = π(1 + 187.0,038) = 25,465 (m)
dtd = 0,573/25,465 = 0,0225 (m) - chọn ∆t1 = 1oC. αs = 17740,708(W/m2độ) Hệ số cấp nhiệt trung bình chùm ống αch = ε.αs tra bảng V.20 trang 30[6] ε = 0,68 αch = 12063,68
Xác định hệ số cấp nhiệt tử thành ống đến nước tại nhiệt độ 30oC, ta cĩ các số liệu sau:
- Khối lượng riêng của nước: ρN = 995,7 (kg/m3)
- Độ nhớt của nước: μN = 8,007.10-4 (m2/s).
- Hệ số dẫn nhiệt của nước: λn = 0,617 (W/m.độ)
- Nhiệt dung riêng của nước CN = 4181,843 (J/kg.độ)
- Vận tốc nước trong ống:
- Tính chuẩn số Re Re = = 509,35
10<Re<2300: chế độ chảy dịng
- Tính chuẩn số Pr:
Chọn nhiệt độ vch tiếp xc với nước lạnh l 73oC∆t1 = 43oC Pr30 = 5,427
Tra các thơng số của nước ở nhiệt độ 73oC, ta được:
- Khối lượng riêng của nước: ρN = 969 (kg/m3)
- Độ nhớt của nước: μN = 3,9.10-4 (m2/s).
- Hệ số dẫn nhiệt của nước: λn = 0,659 (W/m.độ)
- Nhiệt dung riêng của nước CN = 4190 (J/kg.độ) Pr73 = = 2,48 = 1,22 - Tính chuẩn số Gr = 6468695,87 - Trong đĩ β hệ số nở khối β = 3,0263.10-4 (1/độ) Gr 0,1 = 4,8
- Chuẩn số Nu cho chế độ chảy dịng
0,25
ε1: hệ số điều chỉnh tính đến sự ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt phụ thuộc theo tỉ lệ giữa chiều di L với đường kính d
Tra bảng V.2 trang 15[6]: ε1 = 1 Nu = 14,22 Hệ số cấp nhiệt αn = = = 274,18 (W/m2.độ) Nhiệt tải q1=αn.∆t1 = 274,18.43 = 11789,7(W/m2) q2= αch.∆t2 = 12063,8 (W/m2) sai số giữa q1 và q2: ε = 0,023 < 0,05 Vậy các thơng số đã chọn phù hợp.
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức như đối với tường phẳng: , (W/m2.độ) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: = 5,289.10-4 (m2.độ/W)
K = 234,795 (W/m2.độ)
- Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt = 4,523 (m2).
- Cấu tạo thiết bị
Chiều dài ống truyền nhiệt: = 0,202 (m) Chọn chiều dài ống truyền nhiệt L = 0,5 (m).
6.4 Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu
Hơi đốt đun sơi dịng nhập liệu(đi ngồi ống) thành lỏng sơi làm việc ở áp suất 20at
- Nhiệt hĩa hơi: rH2O = rN = 2802000 (J/kg)
- Nhiệt độ sơi: tH2O = tN = 211,4 oC Nhiệt độ dịng nhập liệu (đi trong ống):
- Dịng nhập liệu vào tf = 27oC
- Dịng nhập liệu vào tháp tF = 157,1oC Chênh lệch nhiệt độ đầu lớn:
∆tl = 211,4 – 27 = 184,4oC Chênh lệch đầu nhỏ
∆tn = 211,4 – 157,1 = 54,3 oC Hệ số nhiệt độ trung bình = 106,4oC
Nhiệt độ trung bình dịng sản phẩm đáy: tnl = (tf + tF)/2 = 92,05oC. Nhiệt lượng cung cấp Q = 634326 (kJ/h)
Lượng hơi đốt cần dùng Gn = 226,383 (kg/h)
Chọn thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm làm bằng thép khơng gỉ X18H10T , tổng số ống là 187, xếp thành 7 hình lục giác đều, số ống trên đường xuyên tâm b = 15 (ống), kích thước
ống 38x3, đường kính ngịai ống dn = 0,038 (m), bề dày ống 0,003(m) và đường kính trong ống dtr = 0,032(m).
Chọn bước ống t = 1,5dn = 1,5.0,038 = 0,057 (m) Đường kính trong thiết bị:
Dtr = t.(b-1) + 4.dn = 0,057(15-1) + 4.0,038 = 0,95 (m) Ta chọn đường kính trong thiết bị Dtr = 1 (m).
- Tiết diện ngang của khoảng ngồi ống:
S = = 0,785(12 – 187.0,0382) = 0,573 (m2) Xác định hệ số cấp nhiệt dịng sản phẩm đáy
Tại nhiệt độ trung bình 92,05oC, ta tra các thơng số:
- Khối lượng riêng của nước: ρN = 961,77 (kg/m3)
- Khối lượng riêng của Etilenglicol: ρEG = 1060,6(kg/m3)
ρ = 1055,32 (kg/m3)
- Hệ số dẫn nhiệt của nước: λN = 0,672 (W/m.độ)
- Hệ số dẫn nhiệt của Etilenglicol:λEG = 0,2591 (W/m.độ)
λ = 0,321(W/m.độ)
- Độ nhớt của nước: μN = 3,093.10-4 (N.s/m2)
- Độ nhớt của Etilenglicol: μEG = 2,25.10-3 (N.s/m2) logμ = (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
μ = 1,671.10-3 (N.s/m2)
- Nhiệt dung riêng của nước CN = 4210 (J/kg.độ)
- Nhiệt dung riên Etilenglicol CEG = 2747,5 (J/kg.độ) C =
C = 2818,72(J/kg.độ)
- Hệ số dãn nở thể tích của nước: βN = 6.746.10-4 (1/độ)
- Hệ số dãn nở thể tích của Etilenglicol: βEG = 6,5.10-4 (1/độ)
Nên: β = xF.βN + (1- xF)βEG = 0,15.6,746.10-4 + (1 – 0,15).6,5.10-4 = 6,54.10-4 (1/độ).
- Vận tốc dịng nhập liệu đi trong ống 5,394.10-3 (m/s)
Re = = 109
10< Re<2300: chế độ chảy màng.
- Tính chuẩn số Pr
Chọn ∆t1 = 100oC tt1 = tF + ∆t1 = 92,05 + 100 = 192,05oC. Tra hình V.12 trang 12-sổ tay tập 2
Pr 92,05 = Pr = 14,67
Pr 192,05:Tra các giá trị cần thiết ta được:
- Hệ số dẫn nhiệt của nước λN= 0,671 (W/m.độ)
- Hệ số dẫn nhiệt của Etilenglicol λEG = 0,2587 (W/m.độ)
λ = 0,321 (W/m.độ)
- Nhiệt dung riêng của nước CN = 4448,2(J/kg.độ)
- Nhiệt dung riêng của Etilenglicol CEG = 2807,32 (J/kg.độ)
C = 2887,23 (J/kg.độ) - Độ nhớt của nước μN = 1,45.10-4 (N.s/m2) - Độ nhớt của Etilenglicol μEG = 1,5.10-4 (N.s/m2) μ = 1,49.10-4 (N.s/m2) Pr 192,05 = = 1,34 = 1,82 - Tính chuẩn số Gr = 8310956,854 Gr 0,1 = 4,92
- Chuẩn số Nu cho chế độ chảy dịng
0,25
ε1: hệ số điều chỉnh tính đến sự ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt phụ thuộc theo tỉ lệ giữa chiều dài L với đường kính d
Tra bảng V.2 trang 15-sổ tay tập 2: ε1 = 1
Nu = 20,05
- Hệ số cấp nhiệt f = = 201(W/m2.độ) Xác định hệ số cấp nhiệt hơi ngưng tụ ngồi ống
- Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng trên một ống nằm ngang
αs= 1,28 trong đĩ:
- r = rD =280200 (J/kg)
- ddt: đường kính tương đương Xác định dtd. dtd = (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
trong đĩ:
f: thiết diện dịng chảy f = = = 0,573 (m2).
Π: chu vi thấm ướt của dịng Π = π(D + ndn) = π(1 + 187.0,038) = 25,465 (m)
dtd = 0,573/25,465 = 0,0225 (m)
- chọn ∆t2 = 2,5oC. t2 = 211,4 – 2,5 = 208,9 tại nhiệt độ này thì
- khối lượng riêng của nước ρn =856,29 (kg/m3)
- độ nhớt nước μ= 1,3.10-4 (N.s/m2) - hệ số dẫn nhiệt nước λn = 0,659(W/m.độ) αs = 12121(W/m2độ) Hệ số cấp nhiệt trung bình chùm ống αch = ε.αs tra bảng V.20 trang 30[6]ε = 0,7 αch = 84847 Nhiệt tải q1= αn.∆t1 =201.100 = 20100 q2= αch.∆t2 = 84847.2,5 = 21211,75 (W/m2) sai số giữa q1 và q2: ε = 0,052 ≈ 0,05
Vậy các lựa chọn trên phù hợp
- Hê số truyền nhiệt:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức như đối với tường phẳng: , (W/m2.độ)
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: = 5,289.10-4 (m2.độ/W)
K = 181,3 (W/m2.độ)
- Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt = 9,17 (m2).
- Cấu tạo thiết bị
Chọn chiều dài ống truyền nhiệt L = 0,5 (m).
6.5 Tính tốn bơm nhập liệu