1. Hiệu số truyền nhiệt trung bình
- Chênh lệch nhiệt độ tại đầu vào:
Δt1= tng –tđ= 80.8- 25= 55.80C - Chênh lệch nhiệt độ tại đầu ra:
Δt2= t2- tc= 80.8- 50= 30.80C
- Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hơi cồn và nước làm lạnh là:
Δttb=Δt1−Δt2 ln Δt1 =55 . 8−30 . 8 ln55 . 8 30 . 8 =42 .07OC
- Nhiệt độ trung bình của nước là:
tn=th.c nồ −Δttb=80 .8−42 . 7=38 . 73oC
- Lượng nhiệt bỏ ra để ngưng tụ hoàn toàn hơi cồn thành lỏng là: Q = N.r
Trong đó:
r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi cồn (tra bảng trang 271_sách công nghệ và kiểm tra cồn), r= 1142,996.103 J/kg
N: lưu lượng tính theo giây. N= 9000kg/ ngày = 0,104166 kg/s. → Q= 0,104×1142,996.103= 118871,584 W
Từ đây, ta xác định có hệ số truyền nhiệt K là:
K= 1
1
α1+∑r+ 1
α2 W.m 2.oC
2 .Hệ số cấp nhiệt phía nước
Khối lượng riêng của nước tại nhiệt độ 38,73 oC là: ρ=992,73 kg/m 3
(tra bảng I.5 trang 11 sthc tập 1)
Độ nhớt của nước tại nhiệt độ 38,73 oC là: μ=0,672×10−3
N.S/m 2 (tra bảng I.102 trang 94 sthc tập 1)
Hệ số dẫn nhiệt của nước tại nhiệt độ 38,73 oC là: λn=0,632 W/m.độ
(tra bảng I.139 trang 133 sthc tâp 1).
Nhiệt dung riêng của nước tại nhiệt độ 38,73 oC là: Cp= 4178,7 J/kg.độ (tra bảng I.149 trang 169 sthc tập 1).
Chuẩn số Prandlt của nước là:
Pr=Cp×μ λ = 4178,7×0,672×10−3 0,632 =4,44 Ta có: Re=ω×d×ρ μ Trong đó,ω= n . fv =Gn /(n×ρ×π/4×d2)
Là vận tốc nước chảy trong ống( m/s)
v là lưu lượng ( m3/s)
n: Số ống thiết bị ống chùm f: tiết diện dòng chảy
Gn: lượng nước lạnh cần cho quá trình ngưng tụ (kg/s) d : đường kính trong của ống.( m)
ρ : khối lượng riêng của nước (kg/m3) μ : độ nhớt của nước (kg/m.s)
Chọn chế độ dòng chảy trong thiết bị truyền nhiệt Re= 11000 > 10 4 (chảy xoáy) nên hệ số cấp nhiệt của nước được xác định theo phương trình:
Nu = 0,021
¿εk×Re0,8×Pr0,43×[PrPrT ]0,25
Trong đó: εk=1 vì Ld=1500
25 =60>50 ( tra bảng V.2 trang 15 sthc tập 2 ) - Thay số vào ta được:
Nu = 0,021
¿1×(11000)0,8×(4,44)0,43×[Pr4,T44]0,25=68,19[Pr4,T44]0,25
Hệ số cấp nhiệt phía nước
α2 -Từ công thức: Nu=α×d λ ⇒α2=Nu×λ d W/m 2 .độ α2=Nu×λ l = 68,19 0,025[Pr4,T44]0,25×0,632=1723,79×[Pr4,T44]0,25 W/m2.độ
3. Hệ số cấp nhiệt phía hơi α1 được xác định là
Trong trường hợp ống chùm nằm ngang những dãy ống phía dưới sẽ bị phủ lên một lớp nước ngưng dày hơn các ống phía trên, đồng thời vận tốc cũng bị giảm từ trên xuống dưới do một phần đã bị hơi ngưng tụ. Vì vậy, hệ số cấp nhiệt giảm dần đối với các dãy phía dưới.
Ta có: α1 = ɛtb . α Trong đó:
α=1,28×A×[ Δtr×d]0,25
d: đường kính ngoài của ống, dn= 30mm
A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng cồn:
tm=1
2 (thc+tT1)
t T1 : nhiệt độ tường phía hơi, oC
thc : nhiệt độ hơi ngưng tụ, oC Nguyễn Thị Dung - 20180433
r: ẩn nhiệt ngưng tụ
Δt=thc+tT1 - chênh lệch nhiệt độ giữa hơi và tường
ɛtb: hệ số phụ thuộc vào cách sắp xếp ống và số ống trên mỗi dãy
Tổng trở nhiệt ∑r :
∑r=r1+δ λ+r2
m2.độ/W
Trong đó: r1 , r2 - nhiệt trở của cặn bẩn bám vào hai bên thành ống phía hơi và phía nước lạnh (m2.độ/W)
δ : chiều dày ống truyền nhiệt
λ: hệ số dẫn nhiệt của thành ống, λ = 16,3 W/độ.m2 ( chọn ống được làm từ thép không gỉ mã hiệu X18H9)
r1=0,464×10−3 m2.độ/W (nước mát) r2=0,116×10−3 m2.độ/W (hơi cồn) - Vậy, sẽ có: ∑r=0,464.10−3+0,0025 16,3 +0,116.10 −3=0,733.10−3 m2.độ/W.
4. Nhiệt tải riêng q1 (W/m2)
- Nếu coi sự mất mát của nhiệt khi truyền từ lưu thể này sang lưu thể kia ko quá 5%, thì ta tính toán nhiệt tải riêng q1 và q2 cũng không chênh lệch quá 5%. Thực hiện các bước như sau:
Chọn nhiệt độ chênh lệch giữa hơi và thành ống: Δt1=thc−tT1 .
Tính Δt=tT1−tT2 chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên thành ống:
Δt=q1×∑r .
Từ đó suy ra tT2 là nhiệt độ tường phía nước.
Tính chuẩn số Prandlt tường PrT theo nhiệt độ tT2. Tính α2 theo công thức đã xác định, từ đó tính q2=α2×Δt2
So sánh q1 và q2: |
q1−q2
q1 |ư¿ ¿ thì phù hợp.
Tính qtb là nhiệt tải riêng trung bình: qtb=
1 2(q1+q2) , W/m2. 4.1. Chọn Δt=8oC , ta có: TT1= 80.8- 8= 72,80C - Nhiệt độ màng cồn là: tm=1 2 (thc+tT1)=1 2 (80,8+72,8)=76,8 -Ở 76,8oC thì A = (ρ2×λ3 μ )0,25 của màng cồn với : ρc = 785,24 kg/m3 ( Bảng I.2 trang 9 sthc tập 1) λc= 0,3143 W/m.độ μc= 0,605. 10-3 Ns/m2 A=(785,242×0,31433 0,605 .10−3 )0,25=75,00 - Hệ số cấp nhiệt phía hơi là:
α=1,28×75,00×(10418×,427.100.03 3 )0.25=
4381,53 W/m2.độ Chọn cách sắp xếp là xen kẽ, số ống 1 dãy đứng là 3
Vậy εtb=0.85 →α1=εtb.α= 0,85×4381,53= 3724,30 W/m.độ -Nhiệt tải riêng:
q1=α1×Δt1=3724,30×8=29794,40 W/m2. - Chênh lệch nhiệt độ giữa hai thành ống:
Δt=q1×∑r=29794,49×0,733 . 10−3
=21,84oC
-Nhiệt độ tường phía nước :
tT2=tT1−Δt=72,8−21,84=50,96oC
- Chênh lệch nhiệt độ giữa thành ống và nước: Δt2=tT2−tn=50,96−38,73=12,23 0C -Tại tT2=50,960C: Cp=4185,30 J/kg.độ λ= 0,649 W/m.độ μ= 0,541.10-3 Ns/m2 → PrT= μ × CP λn =3,49 Hệ số cấp nhiệt phía nước:
α2=1723,79.(4,44Pr
T
¿0,25= 1723,79.¿=1830,73 W/m2.độ Nhiệt tải riêng phía nước:
So sánh: η=¿q1−q2 q1 ∨¿=¿29794,40−22389,80 29794,40 ∨¿=24,85% >5% - Vậy Δt1=8oC không phù hợp. 4.2. Chọn Δt=7oC ta có: Có Δt1=7, tT1= 80,8- 7= 73,8 tm= ( th.cồn+ tT1)/2= (80,8+ 73,8)/2= 77,30C Tại 77,30C: ρcồn= 799,16 kg/m3 λcồn= 0,315 W/m.độ μcồn= 0,5997.10-3N.s/m2 → A=(799,160,5997. 10×0,315−3 )0,25 =75,95
. Thay vào công thức tính hệ số cấp nhiệt phía hơi:
α=1,28×75,95×(11427×,996.100,03 3)0 .25=4695,63
W/m2.độ α1 = ɛtb . α = 0,85×4695,63 = 3991,29 W/m2.độ
- Nhiệt tải riêng:
q1=α1×Δt1=3991,29×7=27939,01 W/m2. -Chênh lệch nhiệt độ giữa hai thành ống:
Δt=q1×∑r=27939,01×0,733 . 10−3
=20,48oC
-Nhiệt độ tường phía nước:
tT2=tT1−Δt=73,8−20,48=53,32oC
-Chênh lệch nhiệt độ giữa thành ống và nước: Δt2=tT2−tn=53,32−38,78=14,54oC -Tại tT2 = 53,320C : μ=0,5202.10−3ƯNs/m2 Cp=4186,79ưJ/kg.oC λ=0,651ƯW/m.đô. -Vậy: PrT = 3,35W/m2.độ. - Hệ số cấp nhiệt phía nước là:
α2=1723,79×(34,,3544)0,25=1850,17
W/m2.độ -Nhiệt tải riêng phía nước là:
q2=α2×Δt2=1850,17×14,54=26901,52 W/m2 -So sánh: η=|q1−q2 q1 |×100%=| 27939,01−26901,52 27939,01 |×100 %=3,71%Ư<ư5% - So sánh và nhận thấy Δt1=7oC phù hợp.
- Nhiệt tải riêng trung bình:
qtb=1
2(q1+q2)=1
2(27939,01+26901,52)=27420,27 W/m2.
5. Bề mặt truyền nhiệt - chọn thiết bị
K= 1 1 3991,29+0,733.10 −3 + 1 1850,17 =656,15 W.m2.oC.
- Bề mặt truyền nhiệt được tính theo công thức:
F= Q qtb=
118871,584
27420,27 =4,34 m2
6. Lượng nước cần thiết cho quá trình làm lạnh
Q=Gn×Cp×(tc−td)⇒Gn= Q Cp×(tc−td)= 118871,584 4178,7×(50−25)=1,138kg/s 7. Số ống truyền nhiệt Có: dtd=0,5.(0,025+0,03)=0,0275 n=F¿π×dtb×L¿ ¿ = 4,34 π×0,0275×1,5=34¿ ống
Tra bảng V.11 trang 48 STHC 2 ta được như sau:
Tổng số ống: n = 37 ống.
Xếp ống theo hình 6 cạnh.
Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: b = 7 ống.
Chiều dài ống: L=1,5 m
8. Vận tốc chảy thực tế của nước trong ống
ωtt= Gn
0,25 .π.d2.n.ρ=
1,138
0,25×π×0,0252×37×992,73=0,063 m/s
9. Vận tốc chảy giả thiết theo Re = 11000 là
ωgt=Re×μ d×ρ =
11000×0,672.10−3
0,025×992,73 =0,298 m/s
Ta thấy : ωgt>ωt nên phải chia ngăn trong thiết bị.
Số ngăn: m=ωgt ωtt = 0,298 0,063=4,72 ngăn Chọn số ngăn là m=5
10 .Tính lại chuẩn số Reynolds
Trong đó: n1= n m Re= 4×Gn π×d×n1×μ= 4×1,138 Π×0,025×37 5 ×0,672. 10 −3=11654,97>10000
Vậy chế độ chảy của dòng vẫn ở chế độ chảy xoáy
11. Đường kính trong của thiết bị
D=t×(b−1)+4×dn
( công thức V.140 trang 50 sthc tập 2) Trong đó, b = 7 ống.
dn: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt. t: bước ống, thường chọn t = (1,2 ¿ 1,5)dn Chọn : t = 1,25dn = 1,25× 0,03 = 0,0375m
Khi đó: D=0,0375.(7−1)+4.0,03=0,345 m Vậy lấy D = 0,4m.
KẾT LUẬN: Chọn thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, đặt nằm ngang có chiều dài 1,5m, đường kính trong D = 0,4m. Số ống truyền nhiệt n =37 ống, ống xếp theo hình 6 cạnh. Thiết bị chia 5 lối.
II. Tính cơ khí 1. Thân thiết bị
Chế tạo bằng cách hàn vì làm việc ở áp suất thấp.
Các chú ý :
- Đảm bảo đường hàn càng ngắn càng tốt. - Chỉ hàn giáp mối (giáp mối một bên)
- Bố trí các đường hàn dọc cách nhau ít nhất là 100 mm. - Bố trí mối hàn ở vị trí dễ quan sát
- Không khoan lỗ qua mối hàn.
Các thông số :
- Nhiệt độ tính toán của thiết bị là : t=38,730C - Áp suất tính toán : p= 0,1× 106 N/m2
- Hệ số bền mối hàn : 0,8 ( trang 362/sthc2 ) Từ đó ta chọn chiều dày của thân thiết bị S = 4mm.
2. Đáy và nắp thiết bị
- Đáy và nắp có thể nối với thân bằng cách hàn, ghép bích .
- Chọn đáy và nắp thường dung trong các thiết bị hóa chất có dạng cầu elip, nón… đối với các thiết bị làm việc ở áp suất thường nên dung đáy và nắp thằng 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, dung trong trường hợp áp suất dư không nhỏ hơn 1N/m2.
- Chọn đáy và nắp có gờ để dễ ghép bích.
Thông số của đáy và nắp (tra bảng XIII.10;11 trang 382;383;384 STHC 2 )
Thông số Giá trị
Đường kính trong của thiết bị Dt = 400mm Bán kính trong của đáy, nắp Rt = 400mm Chiều cao đáy ht = 100 mm
Chiều cao gờ đáy h = 25 mm Bề mặt trong của đáy F=0,2 m2 Thể tích của đáy V=11,5.10-3m3 Khối lượng của đáy và nắp M= 9,9kg Đường kính phôi đáy, nắp elip 519 mm Bề dày đáy và nắp S= 4mm
3. Mặt bích
Sử dụng kiểu bích liền có cổ:
Bích liền ngoài (kiểu 5)
Các thông số: (bảng XIII.27/417/sthc2) Áp suất Đườn g kính trong Kích thướ c ống nối Bu lông P Dt D Db D1 D0 db Z h H S1 N/mm2 mm mm mm Mm Mm mm cái mm mm mm 1 400 545 500 462 413 M20 20 23 45 6 Nguyễn Thị Dung - 20180433
PHẦN IV: KẾT LUẬN
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 vơi 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 ngưng tụ.
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.
Em xin trân thành cảm ơn !
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. “Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm tập 3 “, Phạm Xuân Toản, NXB Khoa học và Kĩ thuật.
2. “Sổ tay và thiết bị công nghệ hóa chất tập I “, NXB Khoa học và Kĩ thuật. 3. “Sổ tay và thiết bị công nghệ hóa chất tập II “, NXB Khoa học và Kĩ thuật.
4. “Công nghệ sản xuất kiểm tra cồn Etylic “, Nguyễn Đình Thưởng – Nguyễn Thanh Hằng, NXB Khoa học và Kĩ thuật.