Với Δt1=8℃ do sai số giữa q1 và q2 không lớn lắm nên ta có nhiệt tải riêng trung bình: qtb=1 2(q1+q2)= 1 2(27275,2+28193,7)=27734,45( W m2) Hệ số truyền nhiệt K là: K= 1 1 α1+∑r+ 1 α2 = 1 1 3409,4+0.728×10 −3 + 1 1767,63 =630,1( W m . độ)
Bề mặt truyền nhiệt được tính theo công thức:
F= Q qtb=
148853,556
27734,45 =5,37m2
Lượng nước cần thiết cho quá trình làm lạnh được tính theo công thức
Q=Gn . p .(tc – tđ) Suy ra Gn= Q p.(tc−tđ)= 148853,556 4200×(45−25)=1.772kg/s Số ống truyền nhiệt: n= F π . dtd . L= 5.37 π .0,0275. 1,5=45.44ống Trong đó: dtd=1 2×(0,03+0,025)=0,0275m
Kết quả tính được là n= 45.44 ống. Trong thực tế không có thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm như vậy. Do đó:
Tra bảng V.11 trang 48 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất Tập 2: - Tổng số ống n = 61 ống.
- Xếp ống theo hình sáu cạnh (kiểu bàn cờ)
- Số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh: b = 9 ống. - Chiều dài ống: L = 1,5 m.
Chia ngăn trong thiết bị: kiểm tra có ảnh hưởng đến số ống không, tính lại diện tích truyền nhiệt
Vận tốc thực tế của nước trong ống là:
ωtt= Gn π 4× d 2 ×n × ρ = 1.772 π 4×0,025 2 ×61×993.78 =0,059m/s
Vận tốc chảy giả thiết theo Re = 10000 là:
ω¿=ℜ× μ d × ρ=
10000×0,7113×10−3
0,025×993,78 =0,286m/s Ta thấy ωgt > ωtt nên phải chia ngăn trong thiết bị. Số ngăn: m = ωgtωtt = 0,2860,059 = 4,85 ngăn
Chọn m=5
n1 = mn ℜ= 4×Gn π × d × n1× μ= 4×1.772 π ×0.025×61 5 ×0.7113×10 −3=10399,7>10000 (Thỏa mãn ℜ≥10000)
Như vậy với m=5 chế độ vận chuyển của nước ở chế độ chảy xoáy.
Cách sắp xếp vỉ ống
Chọn cách sắp xếp vỉ ống theo ống theo hình sáu cạnh (kiểu bàn cờ) có số ống xuyên tâm hình sáu cạnh
Trong đó: b=9ống
dn: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, dn=0,03m
t: bước ống (khoảng cách giữa các tâm của 2 ống liền nhau) , thường chọn
t=(1,2÷1,5)dn
Chọn t=1,5.dn=1,5. 0,03=0,045m
Đường kính trong của thiết bị:
D=t .(b –1)+4.dn
Khi đó: D=0,045.(9–1)+4. 0,03=0.48m
Lấy D=0.5m
Xác định độ dày vỏ ngoài của thiết bị
Theo cơ sở tính toán thiết bị thì thiết bị thuộc loại vỏ mỏng chịu áp suất trong, nên chiều dày của thiết bị được tính theo công thức:
δv= P× D
2×[σk]× φ+
Trong đó:
P: áp suất bên trong vỏ, bằng áp suất khí quyển: P=0.1N/mm2 D: đường kính trong của vỏ, D=500mm
[σk]=101N/mm2 là ứng suất kéo cho phép của thép
𝜑: hệ số bền mối hàn giáp mối bằng máy φ=0.8 C: Hệ số bổ sung, =2mm Thay các hệ số ta được δv= P× D 2×[σk]× φ+ = 0.1×500 2×101×0.8+2=2.3mm
Để đảm bảo độ bền cơ học cũng như đồng bộ thiết kế của thiết bị ta chọn độ dày vỏ ngoài thiết bị δv=4mm
Mặt bích
Sử dụng vỉ ống làm mặt bích luôn cho thiết bị nên các kích thước của vỉ ống được tra theo bảng XIII.26 trang 418 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất – Tập 2
Sử dụng kiều bích liền có cổ: Bích liền ngoài kiểu 2 (trang 417 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất – Tập 2).
Chọn bích kiểu 2
Áp suất Đường kính trong
Kích thước ống nối Bu lông
P Dt D Db Dl D0 db Z h H S1
N/mm2 Mm Mm mm Mm mm mm cái mm mm Mm
1 500 630 580 550 511 M20 20 18 40 5
Đáy và nắp thiết bị
Đáy và nắp có thể nối với thân bằng cách ghép bích hoặc hàn. Đáy và nắp thường dùng trong các thiết bị hóa chất có dạng cầu, elip, nón, … đối với các thiết bị làm việc ở áp suất thường nên dùng đáy và nắp thẳng vì chế tạo đơn giản giá rẻ, đáy và nắp hình elip hợp lý nhất của thiết bị trụ hay nồi hơi chế tạo bằng phương pháp dập, dùng trong trường hợp áp suất dư không nhỏ hơn 1N/m2.
Tra trang 382-383 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 2.
Thông số Giá trị
Đường kính trong của thiết bị Dt = 500 mm Bán kính trong của đáy và nắp Rt = 500 mm
Chiều cao đáy ht = 125 mm
Chiều cao gờ đáy h = 25 mm
Bề mặt trong của đáy F = 0,31 m2
Thể tích của đáy V = 21,4.10-3 m3
Khối lượng của đáy và nắp m = 10 kg Đường kính phôi đáy, nắp elip 634 mm
Bề dày đáy và nắp S= 4 mm
Chú ý: nếu thiết bị không chịu áp lực, thì nên chọn bề dày ống bé đến mức có thể, để đạt hiệu quả truyền nhiệt tốt nhất, giá thành rẻ, nhẹ….
Kích thước trong của ống dẫn nước vào và ra:
Vận tốc nước đi vào trong thiết bị là v= 1.5m/s. Từ phương trình lưu lượng ta tính được đường kính trong của ống dẫn nước
D1n=√π × ρ × v4× Gn =√π ×4993.78×1.772×1.5=0.039m
Ta lấy đường kính trong của ống dẫn hnước vào và nước ra là d1n=d2n=0.039m Tra trang 411 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 2.
Dy=40mm, D=130mm, D1=80mm, M12, 4 cái, h=12mm
Chọn vận tốc hơi vào thiết bị là vh1=10 m/s với lưu lượng Gh1=0.08(kg/s) Khối lượng riêng của hơi cồn 85% vào tại t=79.6oC
ρ=[46×0.85+(1−0.85).18]×273
22.4×(273+79.6) =1.44kg/m3 Lượng hơi vào ống là
Q=0.08 1.44m3/s
Đường kính trong của đường hơi cồn vào là
dh1=√4×Q
π × vh=√4×0.08
1.44
π ×10 =0.08m=80mm
Tra trang 412 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 2. Dt=80mm, D=185mm, D1=150mm M16, 4 cái, h=14mm
Đường kính của ống cồn lỏng ra:
Chọn vận tốc cồn ra là 0.5m/s lưu lượng G=0.08 kg/s, ρ=781.84
Dcl=√π × ρ × v4× Gh =√π ×781.844×0.08×0.5=0.016m
Tra trang 409 Sổ tay QT&TB Công nghệ hoá chất - Tập 2. Dy=20mm, D=90mm, D1=50mm, h=12mm, M10, 4 cái
Ống tháo khí không ngưng:
Chọn theo tham khảo
Dt=20mm, D=90mm, D1= 65mm, h=12mm, M10, 4 cái Các thông số:
- Nhiệt độ tính toán là 35,8oC
- Áp suất tính toán là 0,1x 106 N/m2 - Hệ số bền mối hàn là 0,8
- Chiều dày thân thiết bị là 4 mm - Chiều dày đáy và nắp thiết bị 4mm
- Chế tạo bưng cách hàn do lằm việc ở áp suất thấp Các chú ý:
- Chỉ hàn giáp mối (giáp mối một bên)
- Bố trí các đường hàn dọc cách nhau ít nhất là 100mm. - Bố trí mối hàn ở vị trí dễ quan sát
- Không khoan lỗ qua mối hàn
Chọn thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, đặt nằm ngang có đường kính trong D = 0,5m, chiều dài L=1,5m, số ống truyền nhiệt n = 61 ống, ống xếp theo hình 6 cạnh (kiểu lục giác). Số ngăn trong thiết bị m = 5 ngăn.
KẾT LUẬN
Như vậy, hiệu quả trao đổi nhiệt khá ổn định đối với khi sử dụng ống chùm nằm ngang, ít phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường. Cấu tạo chắc chắn, gọn với suất tiêu hao kim loại nhỏ, hình dạng phù hợp với yêu cầu thẩm mỹ trong công nghiệp. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm dễ chế tạo, lắp đặt cũng như vệ sinh, bảo dưỡng và vận hành, tuổi thọ cao. Tốc độ ăn mòn diễn ra chậm do thiết bị thường xuyên chứa nước nên không tiếp xúc với không khí. Yêu cầu vệ sinh thiết bị định kì nhằm nâng cao hiệu quả làm việc cũng như tránh được các hư hỏng không đáng có. Khi lau thiết bị cần chú ý tránh làm trầy xước bề mặt trong bình dẫn đến việc khó lau cặn bẩn vào các lần sau. Cách chia ống và kích thước của thiết bị là khá hợp lí, phù hợp với mục đích sủ dụng để đạt được hiệu quả cao nhất.
Thiết kế thiết bị trao đổi nhiêt dạng ống chùm để ngưng tụ hơi cồn đòi hỏi người thiết kế phải nắm rõ về cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của thiết bị. Do vậy đối với sinh viên, nhưng người kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế thì việc thiết kế thiết bị cũng gặp không ít khó khăn.
Trong đồ án này em đã cơ bản hoàn thành các yêu cầu của một bài thiết kế bao gồm: - Tổng quan chung về cồn và các thiết bị truyền nhiệt cơ bản.
- Tìm hiểu về thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang. - Tính toán thiết bị và cơ khí.
Qua việc thiết kế trong đồ án này giúp em nắm vững được kiến thức môn học, hiểu được vai trò của người thiết kế.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Ngọc Hoàng cùng sự giúp đỡ của bạn bè đã giúp em hoàn thành tốt đồ án này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất, Tập 1 - Các tác giả - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2006
Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất, Tập 2 - Các tác giả - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2006
Thiết bị truyền nhiệt và chuyển khối – Nguyễn Văn May, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2006
Công nghệ sản xuất và kiểm tra cồn etylic – PGS.TS. Nguyễn Đình Thưởng và TS. Nguyễn Thanh Hằng – Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2005
Tập 2 Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt– PGS.TS. Tôn Thất Minh (Chủ biên), Phạm Anh Tuấn, Nguyễn Tấn Thành – Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội, 2015 Cơ sở tính toán thiết kế máy và thiết bị thực phẩm, PGS.TS. Tôn Thất Minh - Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội, 2012
Các quá trình và thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm - Phạm Xuân Toản – Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật