III. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm
2. Bố trí dòng chảy trong thiết bị
Về nguyên tắc, hai lưu thể tham gia quá trình trao đổi nhiệt trong thiết bị ống chùm có thể bố trí chảy phía trong hay phía ngoài ống đều có thể chấp nhận Nguyễn Thị Dung - 20180433
được.Tuy nhiên,việc lựa chọn dòng chảy của các lưu thể ảnh hưởng đến yếu tố kinh tế, vì vậy, người ta dựa vào một số tiêu chí làm cơ sở để bố trí dòng chảy của
lưu thể trong thiết bị.
2.1. Áp suất cao
Nếu một trong hai lưu thể có áp suất cao thì lưu thể này được bố trí chảy trong lòng ống trao đổi nhiệt. Nhờ cách bố trí này, chỉ có ống và phần bít kín liên quan đến dòng chảy trong ống được thiết kế để chịu được áp suất cao, còn vỏ thiết bị được thiết kế ở điều kiện ít khắc nghiệt hơn. Trong khi đó, nếu bố trí dòng lưu thể có áp suất cao hơn chảy ngoài ống thì toàn bộ phần vỏ có kích thước lớn sẽ phải được thiết kế để chịu áp suất cao dẫn đến chi phí chế tạo sẽ cao hơn.
2.2. Ăn mòn
Tính ăn mòn của lưu thể quyết định sự lựa chọn vật liệu chế tạo thiết bị nhiều hơn là vấn đề thiết kế cơ khí. Các hợp kim chống ăn mòn thường đắt hơn so với các kim loại thường, vì vậy, lưu thể có tính ăn mòn được bố trí chảy phía trong ống để vỏ thiết bị không phải chế tạo bằng vật liệu chống ăn mòn, nhờ đó giảm được chi phí chế tạo thiết bị.
2.3. Đóng cặn
Trong quá trình hoat động, các chất cặn bẩn trong lưu thể sẽ đóng cặn lại trên thành thiết bị lưu thể đi qua. Lớp cặn này sẽ làm giảm hiệu quả quá trình truyền nhiệt của thiết bị, vì vậy, từ giai đoạn thiết kế cần phải có giải pháp để giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng đóng cặn. Một số giải pháp được đưa ra trong thực tế: -Giảm thiểu khả năng đóng cặn bằng cách không để vùng chết trong thiết bị, tăng tốc độ dòng chảy.
- Có kết cấu dễ dàng trong vệ sinh lớp cặn bẩn bằng cách bố trí dòng lưu thể dễ đóng cặn chảy phía trong ống, phía vỏ có các cửa để rửa và thu cặn nếu lưu thể có khả năng đóng cặn cao chảy phía ngoài ống.
- Tăng thời gian phục vụ của thiết bị bằng cách bố trí nhiều thiết bị nối tiếp hoặc song song.
2.4. Hệ số truyền nhiệt thấp
Nếu một lưu thể vốn có hệ số truyền nhiệt thấp ( các chất khí áp suất thấp hoặc chất lỏng có độ nhớt cao ) thì lưu thể này thường được bố trí chảy phía ngoài ống để trong một số trường hợp có thể sử dụng ống có cánh tăng cường bề mặt nhờ đó giảm được kích thước thiết bị và giá thành chế tạo.
3. Một số vấn đế kỹ thuật khác
3.1. Ứng suất nhiệt
Các thiết bị trao đổi nhiệt thường có nhiệt độ khác nhau tương đối lớn, vì vậy mà nhiệt độ của các bộ phận, chi tiết của thiết bị trao đổi nhiệt tiếp xúc với các lưu thể này cũng khác xa nhau, đặc biệt giữa các ống trao đổi nhiệt với vỏ thiết bị. Nhiệt độ của các bộ phận, chi tiết trong các thiết bị khác nhau, do đó, độ giãn nở nhiệt của các phần này cũng khác nhau. Điều này dẫn đến sự di chuyển tương đối giữa các bộ phận so với vị trí ban đầu và sinh ra các ứng suất dư cục bộ. Các chi tiết có chiều dài lớn là vỏ và ống trao đổi nhiệt bị ảnh hưởng của nhiệt độ càng lớn. Ứng suất nhiệt càng lớn khi nhiệt độ giữa hai bộ phận này có chênh lệch càng lớn. Trong một số trường hợp hậu quả của ứng suất nhiệt có thể gây ra là vỏ bình sẽ bị uốn cong hoặc các ống trao đổi nhiệt sẽ bị tuột ra khỏi mặt sàng ống. Với dạng thiết bị chùm ống gắn cố định dễ bị tổn hại do ứng suất nhiệt gây ra. Chính vì vậy, theo kinh nghiệm, với các thiết bị trao đổi nhiệt có chùm ống gắn cố định, nếu nhiệt độ đầu vào của hai lưu thể khác nhau lớn ( trên 1000F ) thì không được sử Nguyễn Thị Dung - 20180433
dụng. Vấn đề đặt ra là cần phải có kết cấu, giải pháp kỹ thuật để khắc phục ứng suất nhiệt do sự dãn nở nhiệt không đồng đều giữa ống chùm và vỏ thiết bị. Chính vì vậy giải pháp được đưa ra là dùng vành bù giãn nở nhiệt trên vỏ bình,ống chữ U
hoặc đầu ống tự do
3.2. Vấn đề ổn định
Một trong những vấn đề hết sức lưu ý trong thiết kế cơ khí của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là hiện tượng gây rung động ống trao đổi nhiệt do dòng lưu chất đưa vào thiết bị. Hậu quả của hiện tượng này rất nghiêm trọng, dẫn đến hiện tượng lỗ các vách ngăn dần dần sẽ cắt đứt ống tại vị trí tiếp xúc, các ống va đập lẫn nhau dẫn đến nong dần khỏi sàng ống, ứng suất bền mới vượt quá giới hạn cho phép, bó ống sẽ dần bị lỏng lẻo và đẩy nhanh quá trình ăn mòn. Hiện tượng rung động của ống là do lực tác động không đều nhau vào ống theo thời gian. Hiện nay, có nhiều tiến bộ trong việc nghiên cứu rung động của thiết bị, song những cở sở khoa học để xác định chính xác cấu hình của thiết bị để tránh hiện tượng rung còn chưa hoàn thiện. Vì vậy trong thực tế chỉ có hai giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này là tăng cường độ cứng cho chùm ứng tới mức tối đa có thể và giữ tốc độ dòng chảy ở
mức độ thấp.
3.3. Vấn đề mài mòn cơ học
Hiện tượng bào mòn xuất hiện đồng thời và thúc đẩy quá trình ăn mòn do quá trình bào mòn phá hủy lớp bảo vệ ngoài của kim loại. Tốc độ quá trình bào mòn phụ thuộc vào các yếu tố: kim loại chế tạo, tốc độ và khối lượng riêng của lưu thể,tính chất hóa học của lưu thể và hình dạng thiết bị. Để giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng này trong thiết kế và vận hành không được để tốc độ vượt quá giới hạn, lựa chọn kim loại phù hợp với các tính chất của lưu thể.
Cách tính các thiết bị truyền nhiệt theo trình tự như sau:
Xác định lượng nhiệt trao đổi theo phương trình cân bằng nhiệt:
Q=G×C×Δt
(G - khối lượng chất tải nhiệt, C - nhiệt dung riêng).
Xác định lượng chất tải cần đun nóng hoặc làm nguội.
Xác định hiệu số nhiệt độ trung bình Δt .
Tính các hệ số cấp nhiệt α1,α2 . Tính hệ số truyền nhiệt K. Xác định bề mặt truyền nhiệt F: F= Q K×Δt= Q qtb
Kiểm tra nhiệt độ của bề mặt hoặc nhiệt tải riêng.
Khi tính α đối với chất tải nhiệt lỏng hoặc khí ta luôn phải chọn chế độ chảy xoáy (Re > 104) để đảm bảo α lớn, ngoài ra khi chọn chế độ dòng chảy xoáy sẽ thuận tiện cho việc truyền nhiệt xảy ra.
Ở trong bài này là thiết bị làm nguội bằng nước mát thì nhiệt độ cuối của nước không được quá 40-50oC, vì nếu nhiệt độ cao hơn thì các muối dễ kết tủa và đóng cặn lại trên bề mặt truyền nhiệt.
PHẦN III: TÍNH TOÁN.
BÀI TOÁN: Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm để ngưng tụ hơi cồn nồng độ 96% khối lượng, lưu lượng 4000kg/ngày.
PHƯƠNG ÁN:
Ở đây ta nên chọn thiết kế ống chùm nằm ngang, ống truyền nhiệt ɸ2.5x30 mm, được làm bằng vật liệu X18H10T. Chọn ống truyền nhiệt dài 1,5m.
Tác nhân làm lạnh là nước lạnh công nghiệp , có nhiệt độ đầu vào là t đ
=250C, thông thường nhiệt độ đầu ra ta chọn t= 500C, ngưng tụ hoàn toàn lượng hơi cồn 80% thành lỏng ở cùng nhiệt độ ngưng là t 2 = 80.80C (tra trong bảng phụ lục VI- trang 273 công nghệ sản xuất và kiểm tra cồn etylic).
Do kết cấu của thiết bị nên ta sẽ cho hơi cồn đi vào khoảng không gian ngoài ống, nước lạnh đi bên trong ống.
I. Các bước tính
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.